薄壁類零件加工工藝和應用

唐倩，李金鳳，孫造，王盟

（通用技術集團大連機床有限責任公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

薄壁零件具有比強度高等特點，在高端制造等領域中得到大量應用。飛機結構框架中大量使用薄壁類零件，如梁類零件及航空發動機盤類零件等，薄壁類零件通常采用切削等加工方式，但在夾緊力及切削振動等因素作用下會產生較大變形，切削加工余量大，對難加工材料加工成本高，傳統加工方式難以滿足需求。精密的薄壁零件加工技術是現代高科技產業的基礎，是制造科技中長期發展規劃主要內容。

1 薄壁類零件加工工藝

薄壁類零件是壁厚小于1mm的金屬零件，具有節約材料等特點，薄壁類零件用途廣泛。但薄壁類零件強度比較弱，對零件加工質量產生影響。薄壁類零件加工主要有切削加工，電加工等方式，由于薄壁類零件剛性較弱，相關研究集中于應力應變研究。

切削加工是薄壁類零件加工常用方式，包括車削等工藝。隨著高速切削技術的發展，切削力與切削熱大幅度降低，切削加工在薄壁零件加工中有著廣泛的應用。工件在切削中會受到切削力等作用發生變形，控制薄壁類零件切削加工精度是研究難點。激光熔覆加工是快速無模加工方式，熔覆材料冷凝后與基材融合，通過后處理完成零件的加工，加工方式具有成本低等優點[1]。由于基材與熔覆材料熱膨脹系統不同，界面處易產生較大殘余應力，降低工件的性能。電加工中對工件無宏觀切削力，有效降低了變形，是目前加工薄壁零件理想的工藝。

電火花切割加工是廣泛應用的加工工藝，具有表面質量好等特點，電火花線切割工藝成為薄壁類零件理想加工方式。隨著現代飛機制造業的發展，薄壁類零件對加工精度不斷提高。電火花線切割不會產生宏觀作用力，但會導致熱變形影響薄壁類零件直線度誤差。制約在薄壁類加工的應用。薄壁類零件數控加工分為粗精加工階段。粗加工階段主要對薄壁類零件進行簡易加工，需根據零件特點選擇適合的加工工藝[2]。半精加工階段主要對次要表面處理，加工完后將多余部分清除。精加工階段利用精車零件外圓方式進行細加工。

2 薄壁類零件加工技術發展

薄壁類零件易發生變形，電火花線切割加工研究在加工效果預測等方面取得一定成果，但有動態蝕除過程改變零件剛性，電極絲隨機振動對熱應力分布影響，制約薄壁零件電火花線切割工藝的應用。目前薄壁類零件電火花線切割變形行為機理研究難點包括加工中蝕除量難以計算，難以實現薄壁類零件熱變形補償，線切割加工中溫度分布難以描述等。薄壁類零件熱變形對蝕除量非常敏感，目前對蝕除量預測包括實驗方法，有限元方法，實驗方法優勢是預測精度較高，但薄壁類零件熱變形是熱源移動-熱變形動態過程；分子動力學法可準確描述電加工蝕除過程，但分子動力學受到模擬時間無法對實際加工進行計算。有限元法具有較大的一能用范圍，但有限元法對蝕除量預測精度較差[3]。對薄壁件電加工蝕除量預測急需精確可靠的計算方法。幾何誤差控制中通過路徑規劃實現補償是常用方法，但無法預測加工中的熱變形。由于加工條件決定熱變形量，如何根據加工條件實現加工路徑動態補償具有很大挑戰性。

曲面薄壁工裝發展方向是成形與加工統一化，機床與工裝集成化，工裝系統與檢測系統一體化。實現機床與工裝繼承表明系統可進行信息交換，表現在工裝系統安裝傳感器裝置，控制系統計算相應的變形量；通過機床安裝機械手，達到使工件變形量最小布局形態。近年來曲面薄壁變形問題出現先成型加工工藝，但成型后半成品出現回彈，如果成型與加工相結合，可避免工件回彈造成影響。目前航空制造薄壁類零件裝配基本靠人工完成，數字化裝配技術可提高曲面薄壁裝配效率。飛行器曲面薄壁類零件種類多，工裝設備數量增多，工裝系統智能化要求支撐夾持裝置可隨曲面薄壁種類變化[4]。

3 薄壁類零件加工影響因素

薄壁類零件具有輕量化優越動態性能，但零件剛性較差，數控加工是機加工的難題，提高加工精度需要分析相關影響因素。加工精度是零件表面實際尺寸等與圖紙要求幾何參數符合度，主要包括裝卡引起工件變形、切削力引起的誤差等。

零件變形是影響加工精度主要因素，要提高薄壁零件加工質量，需獲得尺寸形狀穩定的薄壁零件。裝夾質量不合格會造成脫夾等情況，零件加工剛度不符合要求可能導致零件變形。要結合薄壁類零件加工要求合理設置走刀，加工工藝路線影響薄壁類零件加工效率，在設計工藝路線時未充分考慮變形處理等細節問題會影響加工效率，設計工藝路線時需充分考慮細節問題。

航空航天技術綜合眾多學科，航天產品研發水平反映國家工業化水平，各國飛行器性能要求不斷提高，出現復合材料薄壁件的廣泛應用。先進的復合材料具有高比強度與低膨脹系數等優點，陶瓷基復合材料是航空航天高溫結構材料研究的熱點，現代大型飛行器機械機構多采用整體性合金金屬，結構相對復雜，零件加工裝配易受到外在荷載的影響發生變形。

4 薄壁類零件加工工藝優化

薄壁類零件加工要通過優化仿真加工技術，改進零件裝夾工藝，合理優化走刀路徑等方法提升加工技術工藝。薄壁類零件加工承受負載列陣雨變形有關，可根據F=KU公式分析零件數控仿真加工工藝，通過調整F零件加工承受負載陣列降低薄壁類零件變形幾率，改進零件數控加工工藝[2]。通暢提高零件輕度矩陣可通過選擇原材料增強強度，可利用填充物質方式增強原材料強度。按照公式對薄壁類零件加工模擬仿真。零件裝夾對薄壁類零件加工工藝有很大的影響，需要研究裝夾工藝保證滿足要求。要保證零件裝夾結構緊湊，在薄壁類零件數控加工中，合理控制零件裝夾重心，有效控制慣性力，提高零件加工質量。要合理設置零件裝夾剛度，根據薄壁類零件情況選擇懸伸長度。要哦提高對平衡問題的重視，配重問題會直接影響零件裝夾振動，要合理選擇減重孔，減少零件裝夾回轉受到離心力作用。增強裝夾機構耐久性可降低損壞幾率，加大零件裝夾夾緊力，可避免出現脫夾情況。安裝零件裝夾需保證與數控機床契合。

合理控制走刀路徑有利于優化薄壁類零件加工工藝，應深入研究切削量，在薄壁套走刀加工時根據主軸轉動速度，背吃刀量計算走刀路徑，根據Ra=f2×50/rg公式計算薄壁套表面粗糙度，明確切削量后規劃切削路徑，可利用一次性粗加工方法進行加工，使刀具沿XY方向平移運動，提高零件加工精度[5]。需要增大刀具的前后角，技術人員要對加工工序綜合分析，找出解決加工工藝中的問題。設計工藝路線需考慮變形情況等細節問題，優化可能出現問題的加工步驟，分析受力情況，避免出現振動情況。

5 結語

薄壁類零件在工業加工中應用廣泛，在數控加工中受到切削角度等多種因素影響，需要積極改進加工工藝，保證零件加工質量。薄壁類零件使用傳統機械加工方式易造成較大殘余應力，電火花線切割工藝加工中無宏觀力，但薄壁類零件自身剛性較差，使得線切割工藝難以加工大尺寸零件，由于熱變形涉及到蝕除、熱力耦合分析等復雜問題，傳統定性分析方法難以解釋熱變形現象。采用數值模擬方式研究可以準確描述電加工過程。本文通過對目前薄壁類零件常用加工方法研究，結合走刀路徑、合理選擇工藝路線原則等知識，提出高效的加工工藝優化設計方案。隨著數控加工技術水平的提高，零件加工工藝也在不斷進步。