大型薄壁元件機加工變形控制分析

（云浮市中等專業學校，廣東 云浮 527300）

大型薄壁元件機加工變形控制分析

汪秀琴

（云浮市中等專業學校，廣東 云浮 527300）

薄壁元件一般指壁厚與輪廓尺寸之比小于1∶20的零件，它們的壁厚通常小于2mm。大型薄壁元件結構受力復雜，相對剛度較低，在加工過程中很容易出現變形、失穩、振動等問題，不僅加工效率低，而且加工的精度和質量都很難保證，是國內外公認的機械制造難題。本文針對大型薄壁元件機加工變形控制問題進行了分析和討論。

大型薄壁元件；機加工；變形控制

1 大型薄壁元件的主要類型與加工變形的影響因素

1.1 大型薄壁元件主要類型

按照零件形狀特點，薄壁元件一般可分為殼體類、套筒類、環形類、盤形類、平板類、軸類和特型類，在航空工業中通常根據結構特點分為框體類、梁類、整體壁板類、緣條長桁類、發動機結構中的薄壁類等?？蝮w類元件一般是飛機橫向結構的承力構件，由側壁和腹板組成。梁類元件也是飛機承力構件，其截面形式有工字型、U型和其他異型。整體壁板類元件同樣是飛機承力構件，由筋條、凸臺、蒙皮等組成。緣條長桁類元件主要作為機身、機翼縱向結構的受力構件。發動機結構中的薄壁類元件是一些葉片、盤類、機匣結構、空心細長軸、鼓筒類軸等零件。

1.2 大型薄壁元件加工變形的影響因素

大型薄壁元件加工變形的影響因素不僅多，而且這些因素間還存在相互耦合關系，所以這些因素非常復雜，它們與毛坯材質、零件形狀、加工設備、工藝方法、操作人員、環境因素等都有關。工件的彈性變形、工藝變形和殘余應力是引起薄壁元件加工變形最重要的幾個原因，而工件加工后的殘余應力是主導大型薄壁元件整體變形的關鍵因素，并通過殘余應力的大小和分布狀態來影響其他相關因素。不同研究者的角度和過程的差異，造成對薄壁元件變形因素的分析也有所不同。

2 大型薄壁元件加工變形控制方法

2.1 大型薄壁元件加工變形的研究方法

顯然，要控制大型薄壁元件的加工變形，首先必須掌握它的變化規律。目前，主要通過兩條途徑來研究大型薄壁元件的加工變形：一條是數值模擬分析法，即借助計算機技術采用有限元法模擬工件切削成形過程和加工工藝，這對于解決與溫度相關的材料性能參數、大應變速率、大彈塑性變形問題很有優勢。在建立有限元模型基礎上進行少量試驗驗證，就能比較精確地分析和預測薄壁元件的加工變形，再利用數控補償技術進行補償控制，就能在保證數控加工精度要求的前提下進一步提高加工效率。另一條途徑是試驗研究方法，機加工作為一門來源于實踐的技術，試驗研究一直是建立理論和驗證理論的基礎，經過眾多學者多年研究目前已建立了切削機理、切削力、加工變形、機床-刀具-工件系統等力學模型和工藝方法，但是單純試驗研究周期長、工作量大，所以需要結合數值模擬技術才能有效解決研究效率和降低試驗成本問題。

2.2 大型薄壁元件加工變形控制的常用方法

2.2.1 適當的裝夾方式

目前，工件裝夾系統的研究主要集中在裝夾順序、夾緊力以及位置等對工件加工精度的影響方面，目標是提高機加工過程中的尺寸精度和定位精度。對于較小尺寸的薄壁件采用虎鉗夾緊或將零件置于胎具上即可，而大型薄壁元件宜采用真空吸附并輔以側面壓板方式，剛性與穩定性好，裝夾效率高。薄壁圓筒元件可采用磁流變夾具，利用磁流變液體通入磁通后變成固體的性質，可提高工件剛性，減少加工變形。目前，大型薄壁元件裝夾設計還主要依靠經驗，重用性差，設計效率和質量較低低，裝夾系統的整合優化是今后研究的重點。

2.2.2 合理的加工參數

粗加工以高效率、低成本為前提，要求切削量大，精加工以控制精度和變形為主。航空薄壁元件材料以鋁合金、鈦合金、復合材料為主，鋁合金仍然是使用比例最高的材料。鋁合金的特點是彈性模量?。ㄖ挥袖摬牡?/3），屈服比大，剛度較低，加工回彈較嚴重。只有刀具參數與工件材料匹配，才能獲得最佳切削效果。鋁合金銑削常用的刀具材料有硬質合金、陶瓷、聚晶金剛石等。硬質合金刀具最常用，其類型有P、M、K三類，前兩類均含有TiC成分，與鋁親和而不利于切削，所以宜選用K系列刀具。同時還應合理選擇刀具幾何參數，如前角不宜過小，以免過快磨損前刀面而降低刀具壽命，但前角也不能過大，以免影響刀具散熱而加快磨損，一般γ應在12°左右；后角影響刀具剛度，為了保證剛度又不影響散熱，可選用雙倒棱后角；刃傾角對切屑流出方向及各方向切削分力大小都有影響，鑒于鋁合金塑性較大，應選用較大的刃傾角，一般λs取20°～25°為宜。銑削工藝參數包括切深（軸向αp、徑向αe）、進給速度Vf、切削速度Vc、銑削方式、冷卻方式等。精加工首先應保證加工精度和表面質量，同時顧及加工效率和刀具壽命，所以應選用較小的切深和進給量，然后再確定合理的切削速度。逆銑容易引起切削振動和產生振紋，所以宜采用順銑方式，但順銑對刀具和工件沖擊較大，所以應減少刀具懸伸長度并增加工件剛度。銑削軟鋁合金一般采用高壓空氣和油霧冷卻，如采用硬質合金刀具加工ZL101可采用水冷方式；而采用硬質合金刀具銑削6061鍛鋁合金或2A12硬鋁合金時可干銑，也可采用乳化液冷卻。

2.2.3 恰當的補償方法

由于工件加工時的回彈現象，走刀過后薄壁元件側壁殘留一部分材料未被切除，造成壁厚誤差，這種情況一般稱作讓刀。為了保證加工精度，可以在常規銑削方式下進行過切補償，即根據有限元模擬分析的變形大小，在數控編程中在原有走刀軌跡里按變形程度附加連續偏擺，以補償讓刀量，無需重復走刀就能保證壁厚加工精度。

2.2.4 其他實用技術的應用

利用高速切削技術，切削力比普通切削減小30%，工件溫升降低，可以顯著減小切削過程中的殘余應力，可提高加工精度、表面質量和生產效率。超聲振動切削技術是在普通切削的基礎上給刀具附加脈沖振動，由于這種振頻遠高于工藝系統的固有頻率，可以抑制切削過程中的振動，并具有切削力小、精度高、加工穩定、生產效率高的特點。

結語

薄壁元件在航空、航天、武器、汽車等行業得到了廣泛應用，而大型薄壁元件應用最多的還是航空工業。由于薄壁元件加工技術復雜，近些年來一直是機械加工領域研究的熱門課題。歐美、日本等國的薄壁元件加工變形控制技術水平很高，我國與之相比差距較大，這需要機械加工行業同仁付出艱苦的努力才能縮小并趕上發達國家的水平。

[1]葉建友，呂彥明，李強，等.薄壁件切削加工變形及補償技術研究現狀[J].工具技術，2014（02）.

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