試析薄壁零件的加工變形及控制方案

樊強(qiáng)博 范信江 劉雷社 王波濤

摘要：整體加工指功能主模型檢具零件都選擇鋁合金材料進(jìn)行加工。因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形匹配具有較高的要求，零件外輪廓尺寸相對(duì)較大，加工余量相當(dāng)大，剛度偏低。文章通過對(duì)某薄壁超硬鋁合金艙體切削加工變形控制的研究，分析了零件加工變形，歸納了相關(guān)控制方案，希望可以促進(jìn)薄壁件加工變形控制的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：薄壁零件；加工變形；控制方案；整體加工；超硬鋁合金艙體 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH121 文章編號(hào)：1009-2374（2016）29-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.035

現(xiàn)階段，一些高強(qiáng)度的復(fù)雜型腔需要選擇整體銑削加工成型，選擇的材料為特種鋁合金。整體加工指的是功能主模型檢具零件都選擇鋁合金材料進(jìn)行加工。因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形匹配具有較高的要求，零件外輪廓尺寸相對(duì)較大，加工余量相當(dāng)大，剛度偏低，同時(shí)其加工工藝水平不高，加之機(jī)械振動(dòng)、切削力等方面的影響，極易產(chǎn)生加工變形，加工精度難以有效控制，特別是隔艙零件其最薄部位不足0.97mm，由此數(shù)據(jù)加工變形控制難度極高。

1 薄壁零件數(shù)控加工變形定性分析

本文介紹的鋁合金薄壁零件加工變形原因基本含有下面五種：

1.1 待加工材料的屬性

較之鋼材，鋁合金材料屈服應(yīng)力偏低，加工過程中由于塑性變形極易出現(xiàn)積屑瘤。彈性模量低造成加工之后會(huì)形成較大的彈性回復(fù)，會(huì)對(duì)加工完畢的表面粗糙度以及精度形成負(fù)面影響。

1.2 毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力

零件通過切削加工之后，截面大小和形狀的改變同樣會(huì)引起內(nèi)部殘余應(yīng)力分布情況改變，最終導(dǎo)致難以回復(fù)的變形。

1.3 切削過程

切削加工中工藝參數(shù)選擇合理性不足，切削力過大會(huì)造成毛坯形成極大的彈性或塑性變形，由此對(duì)尺寸和精度的影響。切削時(shí)造成的熱應(yīng)力同樣會(huì)同切削抗力一起作用，引起變形。

1.4 零件的裝夾條件

因?yàn)殇X合金薄壁零件缺乏較強(qiáng)的剛性，加工過程中由于壓、夾彈性變形會(huì)降低尺寸、形狀、位置三者的精度。此外，假如沒有選擇合適的支撐力和夾緊力的作用點(diǎn)，會(huì)形成附加應(yīng)力。一旦裝夾力過大，該零件非常容易因?yàn)閿D壓而變形。假如裝夾力不足，則在加工過程中出現(xiàn)裝夾不穩(wěn)，零件發(fā)生移動(dòng)的情況，必然會(huì)對(duì)加工精度造成嚴(yán)重影響。

1.5 刀具路徑的影響

在對(duì)薄壁零件進(jìn)行切削加工的過程中，采取垂直進(jìn)道形式可以對(duì)腹板加工精度造成影響，采取水平進(jìn)道形式則會(huì)對(duì)側(cè)壁加工精度造成影響。此外，機(jī)床加工和零件剛度、加工環(huán)境、刀具磨損情況、零件散熱性能等都會(huì)給零件加工精度造成相應(yīng)的影響。

2 薄壁件銑削加工變形

在明確加工途徑、裝夾環(huán)境、材料型號(hào)的前提下，鋁合金薄壁零件發(fā)生的加工變形通常都是銑削力所引起的。比如，根據(jù)某艙體頂蓋的加工，對(duì)銑削力加工變形進(jìn)行分析。在對(duì)頂蓋進(jìn)行加工時(shí)，立銑刀軸向形成的銑削力是形成彈性變形的主要原因，而彈性變形是導(dǎo)致讓刀引發(fā)加工誤差的主因，所以通過有限元分析法的分析主要是為了明確因?yàn)殂娤髁Φ挠绊懚a(chǎn)生的零件變形量，由此對(duì)銑削力進(jìn)行判斷。此外，根據(jù)分析可對(duì)增加的支撐點(diǎn)進(jìn)行判斷，分析其位置合適與否，由此降低剛性不足部分的變形。同時(shí)，根據(jù)不同工況下的量化對(duì)比，判斷易變形的部位，為加工工藝提供實(shí)際的參考數(shù)據(jù)。

通過MSC/Nastran軟件分析鋁合金頂蓋工況。通過切削力計(jì)算辦法，如果對(duì)頂蓋尖角進(jìn)行加工時(shí)，在特定的切削條件下，Z向銑削力F為0.07kN，此部位Z向彈性變形最大是0.5032mm，由于公差要求為0.05mm，由此彈性變形變差，表明切削力顯著降低。基于以上工況下零件彈性變形是因?yàn)閯傂圆蛔愣斐傻模煽紤]在剛性不足的部位加設(shè)支撐點(diǎn)，在有限模型中指的是在指定部位增加零位移約束。在這種工況下，夾角部位最大彈性為0.034mm，滿足公差要求，所以設(shè)置支撐塊不僅能確保生產(chǎn)效率，同時(shí)也可以保障生產(chǎn)質(zhì)量，是防止薄壁零件發(fā)生變形的有效措施。

3 銑削工藝對(duì)加工變形的控制方案

3.1 選擇工藝樁

鋁合金材質(zhì)的薄壁零件外形一般不規(guī)則，加工時(shí)難以平放，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)工藝樁進(jìn)行支撐。工藝樁也會(huì)受力變形，通常無法作為基準(zhǔn)。假如零件上下兩側(cè)均需進(jìn)行加工，比如進(jìn)氣道蓋板以及頂蓋等，工藝樁應(yīng)當(dāng)上下貫通，可以利用有限元分析確定工藝樁位置。

3.2 選定加工基準(zhǔn)

薄壁零件加工時(shí)，一般選擇球形基準(zhǔn)，只要找到合適的定位，則可以進(jìn)行X軸、Y軸、Z軸的定位，此外還需要進(jìn)行輔助工藝基準(zhǔn)的確定。由于加工相關(guān)工位較多，一旦工件發(fā)生位移就會(huì)影響加工精度。

在對(duì)大型鋁合金零件進(jìn)行銑削加工時(shí)，通常選擇“2x/2y/4z”基準(zhǔn)法，這一方法的運(yùn)行原理為：在X、Y方向上設(shè)置兩個(gè)基準(zhǔn)，在各個(gè)基準(zhǔn)上再設(shè)置兩個(gè)基準(zhǔn)塊。將兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的基準(zhǔn)塊作為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，距離較近的基準(zhǔn)進(jìn)行輔助校核，兩個(gè)基準(zhǔn)塊直線度必須保持在0.01mm以內(nèi)。

高速加工重要步驟包含：粗加工除去余量、半精加工及精加工為獲得高質(zhì)的加工表面。結(jié)束一項(xiàng)粗加工或者半精加工之后，均需要將工藝樁的螺絲松開，銑平工藝樁。松開螺絲之后，殘余應(yīng)力得以釋放，由此工件會(huì)發(fā)生變形，而基準(zhǔn)工藝樁也會(huì)出現(xiàn)變形。為確保基準(zhǔn)面準(zhǔn)確性，可以結(jié)束每一步驟之后釋放應(yīng)力、銑平工藝樁。

3.3 選用銑刀

刀具技術(shù)是進(jìn)行高度加工的保障，首先需要結(jié)合材料高速環(huán)境下特性選用適合的刀具，進(jìn)而依據(jù)加工工藝以及刀具性質(zhì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的刀具參數(shù)和結(jié)構(gòu)。高速加工通常采用的涂層、金剛石、硬質(zhì)合金等材質(zhì)的刀具。

關(guān)于銑削半精加工和精加工，PCD材料精度最高，但是價(jià)格過高，考慮到經(jīng)濟(jì)和精度兩項(xiàng)因素，選擇硬質(zhì)合金材料最合適。

3.4 選擇切削液

使用切削液可以顯著的降低刀具磨損、優(yōu)化加工表面、提升生產(chǎn)效率。進(jìn)行粗加工時(shí)，因?yàn)殂姷吨睆郊般娤饔昧烤^大，從而形成了大量切削熱，加劇刀具磨損，此時(shí)可以使用具有冷卻性能的切削液。假如選用硬質(zhì)合金刀具，因?yàn)橛操|(zhì)合金自身具有較強(qiáng)的耐熱性，通常不使用切削液，若要使用，使用時(shí)要連續(xù)，防止冷熱不均而形成很大的熱應(yīng)力，最終損壞刀具。對(duì)鋁合金材料進(jìn)行精加工時(shí)，使用切削液可以提升加工精度，通常選擇離子型切削液。銑削時(shí)選擇合適的切削液能夠有效降低銑削力，降低加工材料和切屑間的摩擦。

3.5 CAM編程技術(shù)

CAM編程是重要的數(shù)控加工準(zhǔn)備工作，高質(zhì)量的編程可以確保加工質(zhì)量，制作周期的縮減。艙體零件精加工與半精加工可以選擇固定軸輪廓銑，刀具一直保持固定的方向。而對(duì)進(jìn)氣道檢具側(cè)輪廓進(jìn)行加工時(shí)，需要改變刀具方向，可選擇可變軸輪廓銑。通過對(duì)鋁合金頂蓋零件的加工進(jìn)行分析，這種零件正面加工技術(shù)要求極高，刀具不可直接跳過上面的孔，防止刀軌在空下沉產(chǎn)生圓角。為保障刀軌平順，可在孔上建立和邊界實(shí)體曲率相同的過渡曲面，從而連續(xù)在引擎蓋和過度面生成刀軌，確保孔邊緣成形質(zhì)量。加工方式選擇定軸輪廓銑，采用曲面驅(qū)動(dòng)，可以防止過切情況。

頂蓋邊緣技術(shù)也存在較高的要求，要求刀軌平順，降低波動(dòng)。其曲面和邊緣部分需要分別生成刀軌，由此保障邊緣刀軌平順。零件上部分刀具很難加工的位置，比如小半徑的內(nèi)圓角，應(yīng)當(dāng)采用清根切削驅(qū)動(dòng)辦法。

3.6 特殊形狀的分型問題

該模型的部分零件形狀相對(duì)繁雜，對(duì)其加工時(shí)可以通過劃分分型面進(jìn)行處理。因?yàn)闄z具的大型零件很多無法通過單工位加工，進(jìn)行零件分型必須結(jié)合下列原則：分型位置的隱蔽性、分型面一貫性、區(qū)域性以及易加

工性。

4 結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)艙體中鋁合金薄壁零件的加工，詳細(xì)地論述了些許加工變形控制方案，希望可以對(duì)相關(guān)零件加工變形起到一個(gè)指導(dǎo)作用。

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作者簡介：樊強(qiáng)博（1976-），西安航天新宇機(jī)電設(shè)備廠（原航天科技集團(tuán)公司7424廠）高級(jí)工程師，研究方向：航天產(chǎn)品機(jī)加工工藝。

（責(zé)任編輯：王 波）