鋁合金薄壁結構加工的余量堆積法應用研究

王熙杰

（1.湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心，湖南 株洲 412006）

1 概述

鋁合金材料因其韌性好、強度高及質量輕的特點廣泛應用于航空航天與民用工業領域，但也因其彈性模量小、屈服比大的特性，較易在加工中產生變形。

因此本文以鋁合金薄壁結構為研究對象，分別針對某下殼體的薄壁深腔結構進行了工藝性分析，針對長懸臂薄壁結構，提出了一種將非均布余量作為半精加工毛坯的余量堆積法，并通過有限元仿真進行實例驗證，證明了以上觀點。

2 存在的問題及應用

針對小尺寸薄壁件，通過增大粗加工余量預留量，使用分層切削的加工策略，可以有效減小加工變形，保證薄壁件側壁表面質量。但若薄壁件尺寸較大，則必須要考慮在熱處理殘余應力的作用，對于尺寸越大的薄壁件，其余量總體積越大，則產生的殘余應力就愈大。

因此，為了在保證殘余應力最小化的情況下，獲得較好的加工剛性，本文提出了一種針對大尺寸薄壁件的余量堆積法，即將均勻分布在壁厚方向的余量按越靠近支點側壁余量越厚的規則進行重新排布，亟待解決較好的加工質量。

3 薄壁零件受載情況下受力分析

3.1 切削力的確定

2A12 鋁合金材料側壁銑削的銑削力預測公式[1-4]如下所示公式（1）。根據表1 中常用薄壁鋁合金切削經驗參數，經過計算以確定銑削力的三向分力及其總切削力F。

表1 常用薄壁鋁合金切削經驗參數

根據計算結果，在薄壁件加工時，總切削力的變化范圍約為5-10N。為了簡化研究對象，因此受力分析模型使用沿垂直于薄壁方向，且作用于直線上的均布載荷作為約束條件進行分析，并按均布載荷的極限值F1=5N、F2=10N進行研究。

3.2 簡化模型的確定

定義了一個長×寬為110mm×81.5mm，厚2mm 的薄板進行金絲的力學分析，底部為懸臂支撐，左側施加固定支撐，右側懸空，如圖1 所示。定義其材料為2A12 鋁合金，其作為加工的目標零件，命名為C1。

圖1 懸臂薄板C1 外形圖

對于第一種余量預留方案，即采用階梯式均勻分布的單側余量結構，即在厚2mm 的薄板單側，增加四段截面為（1×a）mm 的長方形余量，其中a 分別為81.5mm、60mm、40mm、20mm 并依次遞減，將該結構命名為C2，如圖2（a）所示。

第二種余量預留方案為沿截面的均勻余量，即在厚2mm的薄板單側，增加截面為（2.5×81.5）mm的長方形余量，并保證余量的總體積與方案一致，將其命名為C3，如圖2（b）所示。

圖2 懸臂薄板的兩種余量預留方案

3.3 受載情況變形分析

使用NX 高級仿真模塊對圖1 的A 點處底面施加固定約束，為了對兩種結構最大受載情況進行分析，因此對遠離支點的B 點分別施加作用于直線上的均布載荷F1=5N、F2=10N，分別對C2、C3 進行載荷作用下的變形仿真分析，約束條件如圖3 所示，仿真結果的數據匯總見表2。

表2 兩種不同結構懸臂薄板沿受載方向最大位移及最大應力匯總表

圖3 懸臂薄板的約束條件

通過以上分析，對于懸臂薄板的兩種余量預留方案，在保證切削總余量體積不變的情況下，在載荷為F=5N 及F=10N 時，沿受載方向的最大位移分別能減少約29.36%與29.68%；沿受載方向的最大應力能減少15.72%。因此通過結構的優化，通過改變余量分布的結構，采用階梯式的余量堆積方法，能夠有效減少切削加工時受銑削力作用產生的變形及應力的產生。

3.4 余量堆積參數的判定方法

在使用了余量堆積法的情況下，需要對余量堆積的層數、每層厚度進行適當的設置，以避免出現余量底層在壁厚方向延展過多或余量總體積過大的情況。

為了簡化計算，假設某截面為長方形的薄壁簡支板長為L，其經驗余量厚度為δ，因此其總余量截面厚度為L×δ，如圖4（a）所示。為了保證在余量堆積的情況下余量的總體積與經驗余量厚度保持一致，假設余量堆積的每層厚度δ0及每層高度L/n 均保持相同，則有下文公式（2），簡化后有每層厚度δ0與δ、n 的關系式為下文公式（3）。

圖4 余量堆積法的參數簡化模型

因此，根據零件結構，通過設定經驗余量厚度δ 及需要的堆積層數n，綜合考慮得到的每層厚度δ0及側壁最大壁厚n×δ0，可得出合適的堆積余量值。

4 基于余量堆積法的零件加工

4.1 零件結構分析

下殼體零件的外形為無蓋開放式盒體式結構，由三面2mm 厚的側板，一面3mm 側板及3mm 厚的底板組成，其最大包絡外形尺寸為（122×106×85）mm。

由于其內部安裝渦輪蝸桿結構，因此對于相對兩薄壁上的同心孔有Φ0.01 的同軸度要求，又因該零件余量去除率高，薄壁結構勢必會引起因側壁的彎曲收縮而導致孔同軸度超差，因此控制側壁的變形量是該零件加工的關鍵。

對于該零件，依然采用3R 夾具的裝夾方式，以底部定位片作為固定基準以達到機床基準的轉移。因此該零件在四軸機床上加工四側壁，而內腔結構在三軸機床上加工。

為保證材料殘余應力釋放，因此在銑床粗精加工之間使用退火處理以消除應力。

4.2 基于零件結構的余量堆積參數的設置

根據公式（3）中的判定方法，在粗加工時在加工余量1mm 的基礎上，增加余量厚度，根據經驗設置為δ=2.5mm。由于側壁高度較大，出于簡化編程刀路的目的，設置層數n=4，因此根據公式（3）有：

因此主機側壁余量堆積參數如表3 所示。

表3 主機殼余量堆積設置參數

根據表3 中的數據為參考，根據實際結構對每層高度進行調整。以異型薄壁的兩個臺階平面、及外側壁安裝搭子的平面，作為余量堆積法四層的高度平面，如圖5 所示。

圖5 針對側壁的余量堆積法參數法

4.3 切削參數設置

由于零件為薄壁結構，且軸向方向高度較高，為了保證刀具較大裝長情況下仍有較好的加工剛性，因此對第一至第四層分布采用Φ4、Φ6、Φ8、Φ8R1 的銑刀進行精加工。

對于側壁的側吃刀量控制，為了減少變形，使用分層切削的方式，沿側壁方向使用兩次走刀，考慮到不同刀具的接刀要求，第二次均采用0.15 的側吃刀量，保證表面質量。實際切削參數如表4 所示。

表4 主機殼薄體側壁切削參數

根據工藝優化策略，總結的主機殼機加工工藝如表5所示。加工后外形如圖6 所示，經三坐標測量，兩渦輪蝸桿安裝孔滿足Φ0.01 同軸度的要求，因此基于余量堆積法的加工工藝能夠滿足大尺寸薄壁鋁合金特征的加工要求。

圖6 主機殼精加工后外形

5 結論

本文以某下殼體的薄壁深腔結構為例，針對兩種開放式薄壁鋁合金零件，利用有限元仿真軟件進行分析對比，提出了余量堆積法以滿足加工過程中殘余應力的消除與加工剛性的平衡，解決了薄壁鋁合金的機加工難題，能夠有效提升表面質量及加工精度，對于鋁合金薄壁結構的加工生產具有一定的指導和借鑒意義。