弱剛度結構件的高速銑削及變形控制技術分析

溫曉波，李金山

（天津航天機電設備研究所，天津 300000）

隨著軍工及相關產(chǎn)品需求急劇增加，特別是我國航空航天發(fā)展加快，研發(fā)和生產(chǎn)高性能航天零件日益迫切。目前，數(shù)控在設備加工精度方面有巨大的優(yōu)勢，并且能夠進行加工控制。但是，弱剛度零件在加工中容易出現(xiàn)變形，造成不同的誤差，使得零件加工質量降低，甚至會出現(xiàn)零件報廢的情況。如何在弱剛性零件存在加工變形的情況下保證加工精度，是目前銑床加工中心需要解決的關鍵問題。本文通過研究弱剛性零件在高速銑床加工的相關問題，提出了弱剛性零件加工變形控制方法，從而達到提高零件加工精度的目的。

1 弱剛度結構件的加工難點與變形原因分析

1．1 弱剛度結構件的加工難點

影響弱剛性零件加工變形的因素非常多，造成該類零件加工面臨如下幾個加工難點：（1）零件的剛度差，厚度薄，細筋，加工中零件自身強度或剛性無法支撐切削強度要求；（2）零件結構較為復雜，大多存在拐角、開角槽腔等，需要較高的加工刀具與機床；（3）零件表明質量要求高，筋板和腹板等薄弱，容易變形，難以保證加工尺寸；（4）對于腔內加工，采用小尺寸加工刀具會出現(xiàn)讓刀的現(xiàn)象，導致零件面上存在刀痕。

1．2 變形原因分析

弱剛度零件加工變形是由兩個方面導致的，一個是加工過程中產(chǎn)生的變形，一個是零件在殘余應力作用下產(chǎn)生的變形。

（1）弱剛性零件剛度弱，在加工中受到夾具和切削產(chǎn)生的力，使得零件發(fā)生彈性形變，從而出現(xiàn)加工讓刀現(xiàn)象，并且當加工完成后，由于零件外在受力消失，零件在彈性力作用回復形變，導致零件加工尺寸誤差偏大，造成加工精度和質量降低。

（2）加工殘余應力作用，由于加工過程使得零件毛坯材料被大量除掉，導致零件成型加工中的材料殘余應力分布變化，為了達到新的應力平衡，所以零件受到內部力作用必然會出現(xiàn)變形問題。這種變形具有明顯的不規(guī)則特征，并且很難通過校正來提高加工精度。

2 弱剛度結構件的高速銑削加工變形控制方法

本次研究以某型號支架零件作為研究對象，如圖1所示。

圖1 支架零件尺寸及公差要求

2．1 降低殘余應力使其均勻化

弱剛性零件在加工中，受到材料內部應力和外在加工及裝夾作用力，隨著毛坯材料被切削，材料內部應力開始發(fā)生變化，而裝夾零件又使其產(chǎn)生新的殘余應力，并且只分布在加工零件表層，對零件表層物理性能產(chǎn)生影響。為了保證加工技術要求，需要在加工中降低毛坯殘余應力并使其均勻化，以達到降低加工變形目的，特別是薄壁零件殘余應力，需要從加工材料自身入手處理，如控制材料化學組分、擠壓成型中控制應力等。特別是航空材料，可以通過深冷處理有效降低鋁合金的殘余應力。本文采用2A14（LD10CS）鋁合金作為加工材料，該材料在深冷溫度下不呈脆性，特別是適合制造深冷工作條件下的結構件，并且經(jīng)過處理后的材料殘余應力得到大幅度降低，使得加工得到的工件變形較弱。

2．2 加工方法的選擇

弱剛性零件因其復雜結構和低剛度特點，導致其加工面臨較大的困難。為了保證此類零件加工質量，通常會通過高速加工、電加工等方法進行加工。高速加工結合數(shù)控設備在弱剛性零件加工中具有明顯的優(yōu)勢。目前，銑床加工中心應用高速銑床加工弱剛性零件日趨成熟，其高進給速度、低切削力以及低加工溫升等非常適合加工此類零件。圖1中支架零件，可以在銑床加工中，利用其腹板為加工部分作為零件的支撐，能夠保證一定的剛度，適合加工。另外，化學銑削在薄壁零件加工中還能消除其他加工方法所產(chǎn)生的殘余應力影響作用，選擇銑削加工具有明顯的優(yōu)勢。

2．3 刀具設計

為了避免薄壁弱剛性零件受到再切削力，結合專家研究結果，對于圖1中的支架零件，可以采用細刀桿的立銑刀進行加工，并且加工時從側壁進行。這種工件，需要根據(jù)零件加工技術要求進行刀具設計，盡量保證刀具對弱剛性零件產(chǎn)的形變影響最低。

2．4 裝夾方案

裝夾作用主要對零件加工精度影響主要表現(xiàn)為以下兩個方面，第一裝夾外力導致零件變形，第二是裝夾中夾緊副變形造成工件位置誤差。國內學者通過有限元分析方法和實際實驗，研究裝夾不同的順序來考察被加工零件位置偏差問題，指出了裝夾對零件位置造成的影響作用。而有些學者則通過變形補償和抵消作用來降低裝夾和加工產(chǎn)生的影響，比如，通過側面裝夾方式，使加緊產(chǎn)生的零件彈性形變與加工溫升產(chǎn)生的形變進行相互補償，通過實驗找到最佳裝夾位置，從而達到控制零件銑削的尺寸精度和位置精度。通過以上基礎研究可知，支架零件不同部位的加工變形由不同的因素導致。對于圖1中支架零件，采取如下圖2的裝夾方式。本次研究加工采用拉伸裝夾，零件左右側壁的變形量基本對稱分布，可以保證加工零件受力均勻。即通過兩端對拉形式固定工件，提高了底面的剛性，非常適合對稱的框型弱剛度零件，保證了加工零件的精度要求。

圖2 支架零件原裝夾方案

2．5 切削參數(shù)的優(yōu)選

切削參數(shù)設置對弱剛度零件加工精度具有顯著的影響，而加工切削參數(shù)設置與加工材料特性，銑床加工性能、刀具形式、加工順序等都有較大關系，對弱剛度零件加工進行優(yōu)化設計，可以保證加工中刀具的運動路徑精度較高，也有利于提高加工零件質量，以此實現(xiàn)弱剛性零件的精密加工。本次加工經(jīng)過理論與實際結合，設置如表1的切削參數(shù)。

表1 支架零件加工參數(shù)

上述加工參數(shù)設置可以降低加工殘余應力，降低讓刀產(chǎn)生的加工變形。

2．6 刀具路徑的規(guī)劃

刀具路徑在加工中會對弱剛性零件的殘余應力及其分布產(chǎn)生較大的影響作用。特別是對于薄壁的框型零件，加工中刀具路徑規(guī)劃盡量使零件對稱分布，降低零件加工變形。針對此類問題，一些學者提出了分步環(huán)切走刀和大切深方法，將框體零件腹板中為加工的部位作為零件加工支撐，提高零件的部分剛度，控制加工中零件出現(xiàn)變形情況，大幅度提高加工精度。本次加工采用順序走刀，按照如下的加工順序：過渡要平滑、不重復路徑、層優(yōu)先方式以及切削，提高零件的精度。

3 結語

綜上所述，隨著弱剛性零件在軍工及其他行業(yè)應用日益廣泛，其加工應用逐漸受到人們的關注。由于弱剛性零件在加工中極易出現(xiàn)變形問題，所以一般的數(shù)控設備加工達不到產(chǎn)品技術要求。銑床作為零件加工的常用設備之一，在弱剛性零件加工中具有很大的優(yōu)勢，特別是高速銑床用來加工弱剛性零件，只要選擇合適的加工方式及加工設備，可以大幅度提高零件加工精度，滿足產(chǎn)品應用需求。