试析薄壁零件的加工变形及控制方案

摘要：整体加工指功能主模型检具零件都选择铝合金材料进行加工。因为模型结构复杂，外形匹配具有较高的要求，零件外轮廓尺寸相对较大，加工余量相当大，刚度偏低。文章通过对某薄壁超硬铝合金舱体切削加工变形控制的研究，分析了零件加工变形，归纳了相关控制方案，希望可以促进薄壁件加工变形控制的发展。

关键词：薄壁零件；加工变形；控制方案；整体加工；超硬铝合金舱体 文献标识码：A

中图分类号：TH121 文章编号：1009-2374（2016）29-0080-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.29.035

现阶段，一些高强度的复杂型腔需要选择整体铣削加工成型，选择的材料为特种铝合金。整体加工指的是功能主模型检具零件都选择铝合金材料进行加工。因为模型结构复杂，外形匹配具有较高的要求，零件外轮廓尺寸相对较大，加工余量相当大，刚度偏低，同时其加工工艺水平不高，加之机械振动、切削力等方面的影响，极易产生加工变形，加工精度难以有效控制，特别是隔舱零件其最薄部位不足0.97mm，由此数据加工变形控制难度极高。

1 薄壁零件数控加工变形定性分析

本文介绍的铝合金薄壁零件加工变形原因基本含有下面五种：

1.1 待加工材料的属性

较之钢材，铝合金材料屈服应力偏低，加工过程中由于塑性变形极易出现积屑瘤。弹性模量低造成加工之后会形成较大的弹性回复，会对加工完毕的表面粗糙度以及精度形成负面影响。

1.2 毛坯的初始残余应力

零件通过切削加工之后，截面大小和形状的改变同样会引起内部残余应力分布情况改变，最终导致难以回复的变形。

1.3 切削过程

切削加工中工艺参数选择合理性不足，切削力过大会造成毛坯形成极大的弹性或塑性变形，由此对尺寸和精度的影响。切削时造成的热应力同样会同切削抗力一起作用，引起变形。

1.4 零件的装夹条件

因为铝合金薄壁零件缺乏较强的刚性，加工过程中由于压、夹弹性变形会降低尺寸、形状、位置三者的精度。此外，假如没有选择合适的支撑力和夹紧力的作用点，会形成附加应力。一旦装夹力过大，该零件非常容易因为挤压而变形。假如装夹力不足，则在加工过程中出现装夹不稳，零件发生移动的情况，必然会对加工精度造成严重影响。

1.5 刀具路径的影响

在对薄壁零件进行切削加工的过程中，采取垂直进道形式可以对腹板加工精度造成影响，采取水平进道形式则会对侧壁加工精度造成影响。此外，机床加工和零件刚度、加工环境、刀具磨损情况、零件散热性能等都会给零件加工精度造成相应的影响。

2 薄壁件铣削加工变形

在明确加工途径、装夹环境、材料型号的前提下，铝合金薄壁零件发生的加工变形通常都是铣削力所引起的。比如，根据某舱体顶盖的加工，对铣削力加工变形进行分析。在对顶盖进行加工时，立铣刀轴向形成的铣削力是形成弹性变形的主要原因，而弹性变形是导致让刀引发加工误差的主因，所以通过有限元分析法的分析主要是为了明确因为铣削力的影响而产生的零件变形量，由此对铣削力进行判断。此外，根据分析可对增加的支撑点进行判断，分析其位置合适与否，由此降低刚性不足部分的变形。同时，根据不同工况下的量化对比，判断易变形的部位，为加工工艺提供实际的参考数据。

通过MSC/Nastran软件分析铝合金顶盖工况。通过切削力计算办法，如果对顶盖尖角进行加工时，在特定的切削条件下，Z向铣削力F为0.07kN，此部位Z向弹性变形最大是0.5032mm，由于公差要求为0.05mm，由此弹性变形变差，表明切削力显著降低。基于以上工况下零件弹性变形是因为刚性不足而造成的，可考虑在刚性不足的部位加设支撑点，在有限模型中指的是在指定部位增加零位移约束。在这种工况下，夹角部位最大弹性为0.034mm，满足公差要求，所以设置支撑块不仅能确保生产效率，同时也可以保障生产质量，是防止薄壁零件发生变形的有效措施。

3 铣削工艺对加工变形的控制方案

3.1 选择工艺桩

铝合金材质的薄壁零件外形一般不规则，加工时难以平放，所以应当设计一个工艺桩进行支撑。工艺桩也会受力变形，通常无法作为基准。假如零件上下两侧均需进行加工，比如进气道盖板以及顶盖等，工艺桩应当上下贯通，可以利用有限元分析确定工艺桩位置。

3.2 选定加工基准

薄壁零件加工时，一般选择球形基准，只要找到合适的定位，则可以进行X轴、Y轴、Z轴的定位，此外还需要进行辅助工艺基准的确定。由于加工相关工位较多，一旦工件发生位移就会影响加工精度。

在对大型铝合金零件进行铣削加工时，通常选择“2x/2y/4z”基准法，这一方法的运行原理为：在X、Y方向上设置两个基准，在各个基准上再设置两个基准块。将两个相距较远的基准块作为基准进行加工，距离较近的基准进行辅助校核，两个基准块直线度必须保持在0.01mm以内。

高速加工重要步骤包含：粗加工除去余量、半精加工及精加工为获得高质的加工表面。结束一项粗加工或者半精加工之后，均需要将工艺桩的螺丝松开，铣平工艺桩。松开螺丝之后，残余应力得以释放，由此工件会发生变形，而基准工艺桩也会出现变形。为确保基准面准确性，可以结束每一步骤之后释放应力、铣平工艺桩。

3.3 选用铣刀

刀具技术是进行高度加工的保障，首先需要结合材料高速环境下特性选用适合的刀具，进而依据加工工艺以及刀具性质设计相应的刀具参数和结构。高速加工通常采用的涂层、金刚石、硬质合金等材质的刀具。

关于铣削半精加工和精加工，PCD材料精度最高，但是价格过高，考虑到经济和精度两项因素，选择硬质合金材料最合适。

3.4 选择切削液

使用切削液可以显著的降低刀具磨损、优化加工表面、提升生产效率。进行粗加工时，因为铣刀直径及铣削用量均较大，从而形成了大量切削热，加剧刀具磨损，此时可以使用具有冷却性能的切削液。假如选用硬质合金刀具，因为硬质合金自身具有较强的耐热性，通常不使用切削液，若要使用，使用时要连续，防止冷热不均而形成很大的热应力，最终损坏刀具。对铝合金材料进行精加工时，使用切削液可以提升加工精度，通常选择离子型切削液。铣削时选择合适的切削液能够有效降低铣削力，降低加工材料和切屑间的摩擦。

3.5 CAM编程技术

CAM编程是重要的数控加工准备工作，高质量的编程可以确保加工质量，制作周期的缩减。舱体零件精加工与半精加工可以选择固定轴轮廓铣，刀具一直保持固定的方向。而对进气道检具侧轮廓进行加工时，需要改变刀具方向，可选择可变轴轮廓铣。通过对铝合金顶盖零件的加工进行分析，这种零件正面加工技术要求极高，刀具不可直接跳过上面的孔，防止刀轨在空下沉产生圆角。为保障刀轨平顺，可在孔上建立和边界实体曲率相同的过渡曲面，从而连续在引擎盖和过度面生成刀轨，确保孔边缘成形质量。加工方式选择定轴轮廓铣，采用曲面驱动，可以防止过切情况。

顶盖边缘技术也存在较高的要求，要求刀轨平顺，降低波动。其曲面和边缘部分需要分别生成刀轨，由此保障边缘刀轨平顺。零件上部分刀具很难加工的位置，比如小半径的内圆角，应当采用清根切削驱动办法。

3.6 特殊形状的分型问题

该模型的部分零件形状相对繁杂，对其加工时可以通过划分分型面进行处理。因为检具的大型零件很多无法通过单工位加工，进行零件分型必须结合下列原则：分型位置的隐蔽性、分型面一贯性、区域性以及易加

工性。

4 结语

综上所述，本文根据舱体中铝合金薄壁零件的加工，详细地论述了些许加工变形控制方案，希望可以对相关零件加工变形起到一个指导作用。

参考文献

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作者简介：樊强博（1976-），西安航天新宇机电设备厂（原航天科技集团公司7424厂）高级工程师，研究方向：航天产品机加工工艺。