本发明属于残余应力加工变形控制技术领域，尤其涉及一种工件加工变形的控制方法。
背景技术：
加工变形主要由毛坯初始残余应力、装卡力、切削力和切削热和加工引入残余应力这四个因素造成，其中，毛坯初始残余应力对加工变形的影响最大。在零件加工前，主要通过热时效、振动时效来均化残余应力场、降低残余应力场峰值，从而控制加工变形；然而热时效耗能较高，且与振动时效一样，都存在过程不好控制、去应力效果不理想以及最终得到的工件变形仍较大的缺点。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种工件加工变形的控制方法，通过预留加强筋的初次加工→静置至尺寸稳定→开展热振复合时效→切除预留加强筋的二次加工，可以有效地提高工件的抗弯刚度，并进一步消减残余应力来减小工件的加工变形。
一种工件加工变形的控制方法，包括以下步骤：
s1：建立待加工工件的几何模型，其中，几何模型由工件本体和待切削加工区域构成，且工件本体和待切削加工区域的拓扑加和为工件毛坯；
s2：将待加工工件的几何模型导入hypermesh软件的optistrcut模块，选择待切削加工区域作为优化区域，以工件的等效抗弯刚度或在弯曲载荷下的变形为优化的约束变量，对优化区域进行拓扑优化迭代，从而获得使工件等效刚度提高的加强筋分布；
s3：基于拓扑优化迭代得到的加强筋分布，建立预留加强筋的工件三维模型；
s4：根据预留加强筋的工件三维模型，对工件毛坯进行第1次切削加工，得到带有加强筋的中间工件；
s5：第1次切削加工完成后，将中间工件静置96小时，再进行热振复合时效消减残余应力，其中，待加工工件的材料不同，热振复合时效的工艺流程不同；
s6：对热振复合时效后的中间工件进行第2次切削加工，去除预留加强筋，得到最终的加工工件。
进一步地，待加工工件的材料为铝合金，则对应的热振复合时效的工艺流程如下：
0-30min：从室温25℃将中间工件均匀加热至175℃；
30-60min：令中间工件在温度175℃±2℃的范围内保温0.5小时；
60-65min：在保温状态下使中间工件振动5min，且振动频率为共振频率；
65-95min：令中间工件在温度175℃±2℃范围内保温0.5小时；
95-100min：在保温状态下使中间工件振动5min，且振动频率为共振频率；
100-340min：停止加热，中间工件随炉冷却4小时后卸除装卡，中间工件再空冷至室温，完成热振复合时效。
进一步地，将待加工工件的几何模型导入hypermesh软件的optistrcut模块后，通过设置optistrcut模块中的优化区域、材料属性、网格参数、加载工况、优化类型、迭代次数、响应函数、约束条件以及优化目标来对待加工工件的优化区域进行拓扑优化迭代。
进一步地，所述几何模型为二维几何模型或三维几何模型。
进一步地，对工件毛坯进行第1次切削加工的方法为：
根据预留加强筋的工件三维模型编制数控加工程序，基于数控加工程序在加工中心对工件毛坯进行第1次切削加工。
有益效果：
本发明提供一种工件加工变形的控制方法，在初次加工阶段可以通过拓扑优化预留符合一定条件的加强筋，增强工件的抗弯刚度，能够很大程度地减小初次加工阶段的加工变形；将初次加工阶段预留有加强筋的中间工件放置96小时以上，待应力重分布充分、尺寸相对稳定后，得到稳定的中间工件，再进行热振复合时效消减残余应力，进一步减小工件变形，最后通过二次切削加工去除中间工件中预留的加强筋；此时由于应力已经充分释放且消减，且切除的加强筋相较第一次加工去除材料较少，不会产生较第一次加工所引起的较大的应力重分布，故切除加强筋后，最终得到的加工工件不会再产生较大的变形；由此可见，本发明通过采用拓扑优化预留加强筋加热振复合时效消减残余应力最后进行二次切削加工的方法，能够有效提高工件的抗弯刚度并减小内部残余应力，从而减小最终的加工变形，能够用于指导薄壁弱刚性零件的结构设计，还可以为零件粗加工预留余量的选取提供一定的参考。
附图说明
图1为本发明提供的一种工件加工变形的控制方法的流程图；
图2为本发明提供的hypermesh软件的optistrcut模块的优化区域设置示意图；
图3为本发明提供的提供的hypermesh软件的optistrcut模块的网格划分示意图；
图4为本发明提供的毛坯件加工的过程示意图；
图5为本发明加工工件拓扑计算加强筋位置的侧视图；
图6为本发明加工工件拓扑计算加强筋位置的三维示意图；
图7为本发明提供的毛坯件二次加工后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，该图为本实施例提供的一种工件加工变形的控制方法的流程图。一种工件加工变形的控制方法，包括以下步骤：
s1：建立待加工工件的几何模型，其中，所述几何模型为二维几何模型或三维几何模型，且几何模型由工件本体和待切削加工区域构成，工件本体和待切削加工区域的拓扑加和为工件毛坯。
s2：将待加工工件的几何模型导入hypermesh软件的optistrcut模块，选择待切削加工区域作为优化区域，以工件的等效抗弯刚度或在弯曲载荷下的变形为优化的约束变量，对优化区域进行拓扑优化迭代，从而获得使工件等效刚度提高的加强筋分布。
需要说明的是，本发明将待加工工件的几何模型导入hypermesh软件的optistrcut模块后，通过设置optistrcut模块中的优化区域、材料属性、网格参数、加载工况、优化类型、迭代次数、响应函数、约束条件以及优化目标来对待加工工件的优化区域进行拓扑优化迭代，主要步骤如下：
1)导入几何模型。薄壁零件以平面拉伸体为主体，为了兼顾拓扑优化的效率和精度，采用二维平面单元进行有限元建模。故首先将三维实体模型转换为二维平面模型，并导入optistruct软件，如图2所示。
2)定义优化区域及材料属性。定义不同的属性参数，并用不同的颜色表示。如图2所示，深黑色部分表示非优化区域，即在加工完成后最终保留的部分；其余白色部分代表优化区域，即加工中需要去除的区域。通过对优化区域进行拓扑优化计算，获得粗加工完成后的预留加强筋形式。
3)划分网格。应用四边形壳单元对二维几何模型划分网格，网格尺寸设置为1mm，划分网格情况如图3所示。
4)定义加载工况。薄壁零件的加工变形主要由毛坯和加工引入残余应力引起。残余应力释放形成的载荷可以等效为两对边的均布弯矩。为了模拟实际残余应力释放时的工况，在拓扑优化前，需要在实际工况下对薄壁零件进行静力分析。为了求解方便，将加载工况拆分成两个工况：工况1为在两短边施加均布的弯曲载荷，弯曲载荷的形式为每个节点添加大小为1n的竖直向上的集中力(节点沿边均匀分布)，在与短边平行的中线上施加固定约束，工况2为在两长边施加均布的弯曲载荷，弯曲载荷的形式为每个节点添加大小为1n的竖直向上的集中力(节点沿边均匀分布)，在与长边平行的中线上施加固定约束。特别地，由于a型零件短边不规则，故将载荷加至两个端点，载荷大小与其他几个零件均匀加载至短边的总和相同，即每个边上的总载荷与边的长度成正比。
5)求解计算和结果输出。分别求解工况1和工况2，并输出两个工况的变形结果。
6)定义拓扑优化参数。优化类型选择壳单元(pshell)，迭代次数上限设置为300次，其他参数保持默认。
7)定义响应函数。共定义两个响应函数(response)，第1个响应函数为优化区域的体积分数，函数名称设置为volfrac，第2个响应函数为模型边缘全部节点的变形，函数名称设置为disp。
8)定义约束条件。将边缘全部节点的变形作为约束条件，约束的上限为各工况最大变形的1/10～1/15。
9)定义优化目标。将优化区域体积分数作为优化目标，通过迭代求解目标的最小值(min)，即在满足约束条件的情况下，使优化目标最小。
10)迭代计算，并输出拓扑优化结果。
s3：基于拓扑优化迭代得到的加强筋分布，建立预留加强筋的工件三维模型。
s4：根据预留加强筋的工件三维模型，对工件毛坯进行第1次切削加工，得到带有加强筋的中间工件，具体为：根据预留加强筋的工件三维模型编制数控加工程序，基于数控加工程序在加工中心对工件毛坯进行第1次切削加工。
s5：第1次切削加工完成后，将中间工件静置96小时，再进行热振复合时效消减残余应力，其中，待加工工件的材料不同，热振复合时效的工艺流程不同。
例如，若待加工工件的材料为铝合金，则对应的热振复合时效的工艺流程如下：
0-30min：从室温25℃将中间工件均匀加热至175℃；
30-60min：令中间工件在温度175℃±2℃的范围内保温0.5小时；
60-65min：在保温状态下使中间工件振动5min，且振动频率为共振频率；
65-95min：令中间工件在温度175℃±2℃范围内保温0.5小时；
95-100min：在保温状态下使中间工件振动5min，且振动频率为共振频率；
100-340min：停止加热，中间工件随炉冷却4小时后卸除装卡，中间工件再空冷至室温，完成热振复合时效。
s6：对热振复合时效后的中间工件进行第2次切削加工，去除预留加强筋，得到最终的加工工件。
下面对一组工件3个毛坯件进行3种不同加工工艺流程对比试验，以证明本实施例提供的一种工件加工变形的控制方法能够有效地减小工件的加工变形。
参见图4，该图为本实施例提供的毛坯件加工的过程示意图。其中，试件a1为一次加工成型，试件a2和试件a3采用本实施例提供的二次加工成型，且试件a2和试件a3的加工区别在于试件a2在静置96小时后直接加工成型，而试件a3是静置96小时后进行了热振复合时效之后再进行机加工。
参见图5和图6，该图为本实施例提供的加工工件拓扑计算加强筋位置以及添加加强筋的示意图，其中，深黑色部分即为拓扑计算加强筋位置示意图，如图可知，待加工工件每个部分的内表面都有预留的一部分厚度作为加强筋。参见图7，该图为本实施例提供的毛坯件二次加工后的结构示意图，其中，工件宽度为150mm，长度为200mm。
参考专利201910439386.9可知，试件a1在第1次加工完成的72小时内，底面的翘曲变形随时间有少量的变化；由此可见，零件加工完成后，由于引入残余应力和初始残余应力的共同作用，内部依然会存在一定的残余应力，则零件经过一段时间后，内部的残余应力将发生的重分布，从而导致变形的进一步发生。为了确保应力释放更充分，本试验选择试件a2和试件a3放置96小时后，分别开展第2次加工和热振时效后第2次加工，切去预留的加强筋。具体的，试件a2第二次加工切除拓扑预留加强筋，试件a3先热振复合时效处理再第二次加工切除拓扑预留加强筋。
本实施例在最终加工完成后的72h内，定期多次的测量最终工件的尺寸，获得了工件变形随时间的变化规律。具体的，对比a1～a3结果可知，由于预留的加强筋提高了工件的等效抗弯刚度，在第1次加工完成24小后a2和a3的最大变形比a1分别减小了20.33％和19.69％，平均变形分别减小了25.02％和43.74％。将a1加工完成后72小时以及a2和a3第2次加工完成后72小时的数据作为最终的变形数据，则a2和a3的最终最大变形比a1减小了14.92％和24.16％，最终平均变形分别减小了15.39％和44.70％。结果表明，通过2次加工、静置和热振复合时效，有效地减小了a型铝合金薄壁零件的最终变形。因此，本实施例通过采用预留加强筋进行二次切削加工的方法，能够有效提高工件的抗弯刚度，从而减小最终的加工变形。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
1.一种工件加工变形的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：建立待加工工件的几何模型，其中，几何模型由工件本体和待切削加工区域构成，且工件本体和待切削加工区域的拓扑加和为工件毛坯；
s2：将待加工工件的几何模型导入hypermesh软件的optistrcut模块，选择待切削加工区域作为优化区域，以工件的等效抗弯刚度或在弯曲载荷下的变形为优化的约束变量，对优化区域进行拓扑优化迭代，从而获得使工件等效刚度提高的加强筋分布；
s3：基于拓扑优化迭代得到的加强筋分布，建立预留加强筋的工件三维模型；
s4：根据预留加强筋的工件三维模型，对工件毛坯进行第1次切削加工，得到带有加强筋的中间工件；
s5：第1次切削加工完成后，将中间工件静置96小时，再进行热振复合时效消减残余应力，其中，待加工工件的材料不同，热振复合时效的工艺流程不同；
s6：对热振复合时效后的中间工件进行第2次切削加工，去除预留加强筋，得到最终的加工工件。
2.如权利要求1所述的一种工件加工变形的控制方法，其特征在于，待加工工件的材料为铝合金，则对应的热振复合时效的工艺流程如下：
0-30min：从室温25℃将中间工件均匀加热至175℃；
30-60min：令中间工件在温度175℃±2℃的范围内保温0.5小时；
60-65min：在保温状态下使中间工件振动5min，且振动频率为共振频率；
65-95min：令中间工件在温度175℃±2℃范围内保温0.5小时；
95-100min：在保温状态下使中间工件振动5min，且振动频率为共振频率；
100-340min：停止加热，中间工件随炉冷却4小时后卸除装卡，中间工件再空冷至室温，完成热振复合时效。
3.如权利要求1所述的一种工件加工变形的控制方法，其特征在于，将待加工工件的几何模型导入hypermesh软件的optistrcut模块后，通过设置optistrcut模块中的优化区域、材料属性、网格参数、加载工况、优化类型、迭代次数、响应函数、约束条件以及优化目标来对待加工工件的优化区域进行拓扑优化迭代。
4.如权利要求1所述的一种工件加工变形的控制方法，其特征在于，所述几何模型为二维几何模型或三维几何模型。
5.如权利要求1所述的一种工件加工变形的控制方法，其特征在于，对工件毛坯进行第1次切削加工的方法为：
根据预留加强筋的工件三维模型编制数控加工程序，基于数控加工程序在加工中心对工件毛坯进行第1次切削加工。
技术总结