大型薄壁元件机加工变形控制分析

摘 要：薄壁元件一般指壁厚与轮廓尺寸之比小于1∶20的零件，它们的壁厚通常小于2mm。大型薄壁元件结构受力复杂，相对刚度较低，在加工过程中很容易出现变形、失稳、振动等问题，不仅加工效率低，而且加工的精度和质量都很难保证，是国内外公认的机械制造难题。本文针对大型薄壁元件机加工变形控制问题进行了分析和讨论。

关键词：大型薄壁元件；机加工；变形控制

中图分类号：TG506 文献标识码：A

1大型薄壁元件的主要类型与加工变形的影响因素

1.1大型薄壁元件主要类型

按照零件形状特点，薄壁元件一般可分为壳体类、套筒类、环形类、盘形类、平板类、轴类和特型类，在航空工业中通常根据结构特点分为框体类、梁类、整体壁板类、缘条长桁类、发动机结构中的薄壁类等。框体类元件一般是飞机横向结构的承力构件，由侧壁和腹板组成。梁类元件也是飞机承力构件，其截面形式有工字型、U型和其他异型。整体壁板类元件同样是飞机承力构件，由筋条、凸台、蒙皮等组成。缘条长桁类元件主要作为机身、机翼纵向结构的受力构件。发动机结构中的薄壁类元件是一些叶片、盘类、机匣结构、空心细长轴、鼓筒类轴等零件。

1.2大型薄壁元件加工变形的影响因素

大型薄壁元件加工变形的影响因素不仅多，而且这些因素间还存在相互耦合关系，所以这些因素非常复杂，它们与毛坯材质、零件形状、加工设备、工艺方法、操作人员、环境因素等都有关。工件的弹性变形、工艺变形和残余应力是引起薄壁元件加工变形最重要的几个原因，而工件加工后的残余应力是主导大型薄壁元件整体变形的关键因素，并通过残余应力的大小和分布状态来影响其他相关因素。不同研究者的角度和过程的差异，造成对薄壁元件变形因素的分析也有所不同。

2大型薄壁元件加工变形控制方法

2.1大型薄壁元件加工变形的研究方法

显然，要控制大型薄壁元件的加工变形，首先必须掌握它的变化规律。目前，主要通过两条途径来研究大型薄壁元件的加工变形：一条是数值模拟分析法，即借助计算机技术采用有限元法模拟工件切削成形过程和加工工艺，这对于解决与温度相关的材料性能参数、大应变速率、大弹塑性变形问题很有优势。在建立有限元模型基础上进行少量试验验证，就能比较精确地分析和预测薄壁元件的加工变形，再利用数控补偿技术进行补偿控制，就能在保证数控加工精度要求的前提下进一步提高加工效率。另一条途径是试验研究方法，机加工作为一门来源于实践的技术，试验研究一直是建立理论和验证理论的基础，经过众多学者多年研究目前已建立了切削机理、切削力、加工变形、机床-刀具-工件系统等力学模型和工艺方法，但是单纯试验研究周期长、工作量大，所以需要结合数值模拟技术才能有效解决研究效率和降低试验成本问题。

2.2大型薄壁元件加工变形控制的常用方法

2.2.1适当的装夹方式

目前，工件装夹系统的研究主要集中在装夹顺序、夹紧力以及位置等对工件加工精度的影响方面，目标是提高机加工过程中的尺寸精度和定位精度。对于较小尺寸的薄壁件采用虎钳夹紧或将零件置于胎具上即可，而大型薄壁元件宜采用真空吸附并辅以侧面压板方式，刚性与稳定性好，装夹效率高。薄壁圆筒元件可采用磁流变夹具，利用磁流变液体通入磁通后变成固体的性质，可提高工件刚性，减少加工变形。目前，大型薄壁元件装夹设计还主要依靠经验，重用性差，设计效率和质量较低低，装夹系统的整合优化是今后研究的重点。

2.2.2合理的加工参数

粗加工以高效率、低成本为前提，要求切削量大，精加工以控制精度和变形为主。航空薄壁元件材料以铝合金、钛合金、复合材料为主，铝合金仍然是使用比例最高的材料。铝合金的特点是弹性模量小（只有钢材的1/3），屈服比大，刚度较低，加工回弹较严重。只有刀具参数与工件材料匹配，才能获得最佳切削效果。铝合金铣削常用的刀具材料有硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石等。硬质合金刀具最常用，其类型有P、M、K三类，前两类均含有TiC成分，与铝亲和而不利于切削，所以宜选用K系列刀具。同时还应合理选择刀具几何参数，如前角不宜过小，以免过快磨损前刀面而降低刀具寿命，但前角也不能过大，以免影响刀具散热而加快磨损，一般γ应在12°左右；后角影响刀具刚度，为了保证刚度又不影响散热，可选用双倒棱后角；刃倾角对切屑流出方向及各方向切削分力大小都有影响，鉴于铝合金塑性较大，应选用较大的刃倾角，一般λs取20°～25°为宜。铣削工艺参数包括切深（轴向αp、径向αe）、进给速度Vf、切削速度Vc、铣削方式、冷却方式等。精加工首先应保证加工精度和表面质量，同时顾及加工效率和刀具寿命，所以应选用较小的切深和进给量，然后再确定合理的切削速度。逆铣容易引起切削振动和产生振纹，所以宜采用顺铣方式，但顺铣对刀具和工件冲击较大，所以应减少刀具悬伸长度并增加工件刚度。铣削软铝合金一般采用高压空气和油雾冷却，如采用硬质合金刀具加工ZL101可采用水冷方式；而采用硬质合金刀具铣削6061锻铝合金或2A12硬铝合金时可干铣，也可采用乳化液冷却。

2.2.3恰当的补偿方法

由于工件加工时的回弹现象，走刀过后薄壁元件侧壁残留一部分材料未被切除，造成壁厚误差，这种情况一般称作让刀。为了保证加工精度，可以在常规铣削方式下进行过切补偿，即根据有限元模拟分析的变形大小，在数控编程中在原有走刀轨迹里按变形程度附加连续偏摆，以补偿让刀量，无需重复走刀就能保证壁厚加工精度。

2.2.4其他实用技术的应用

利用高速切削技术，切削力比普通切削减小30%，工件温升降低，可以显著减小切削过程中的残余应力，可提高加工精度、表面质量和生产效率。超声振动切削技术是在普通切削的基础上给刀具附加脉冲振动，由于这种振频远高于工艺系统的固有频率，可以抑制切削过程中的振动，并具有切削力小、精度高、加工稳定、生产效率高的特点。

结语

薄壁元件在航空、航天、武器、汽车等行业得到了广泛应用，而大型薄壁元件应用最多的还是航空工业。由于薄壁元件加工技术复杂，近些年来一直是机械加工领域研究的热门课题。欧美、日本等国的薄壁元件加工变形控制技术水平很高，我国与之相比差距较大，这需要机械加工行业同仁付出艰苦的努力才能缩小并赶上发达国家的水平。

参考文献

[1]叶建友，吕彦明，李强，等.薄壁件切削加工变形及补偿技术研究现状[J].工具技术，2014（02）.