樊強博 范信江 劉雷社 王波濤

摘要：整體加工指功能主模型檢具零件都選擇鋁合金材料進行加工。因為模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形匹配具有較高的要求，零件外輪廓尺寸相對較大，加工余量相當大，剛度偏低。文章通過對某薄壁超硬鋁合金艙體切削加工變形控制的研究，分析了零件加工變形，歸納了相關(guān)控制方案，希望可以促進薄壁件加工變形控制的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：薄壁零件；加工變形；控制方案；整體加工；超硬鋁合金艙體 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH121 文章編號：1009-2374（2016）29-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.035

現(xiàn)階段，一些高強度的復(fù)雜型腔需要選擇整體銑削加工成型，選擇的材料為特種鋁合金。整體加工指的是功能主模型檢具零件都選擇鋁合金材料進行加工。因為模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形匹配具有較高的要求，零件外輪廓尺寸相對較大，加工余量相當大，剛度偏低，同時其加工工藝水平不高，加之機械振動、切削力等方面的影響，極易產(chǎn)生加工變形，加工精度難以有效控制，特別是隔艙零件其最薄部位不足0.97mm，由此數(shù)據(jù)加工變形控制難度極高。

1 薄壁零件數(shù)控加工變形定性分析

本文介紹的鋁合金薄壁零件加工變形原因基本含有下面五種：

1.1 待加工材料的屬性

較之鋼材，鋁合金材料屈服應(yīng)力偏低，加工過程中由于塑性變形極易出現(xiàn)積屑瘤。彈性模量低造成加工之后會形成較大的彈性回復(fù)，會對加工完畢的表面粗糙度以及精度形成負面影響。

1.2 毛坯的初始殘余應(yīng)力

零件通過切削加工之后，截面大小和形狀的改變同樣會引起內(nèi)部殘余應(yīng)力分布情況改變，最終導(dǎo)致難以回復(fù)的變形。

1.3 切削過程

切削加工中工藝參數(shù)選擇合理性不足，切削力過大會造成毛坯形成極大的彈性或塑性變形，由此對尺寸和精度的影響。切削時造成的熱應(yīng)力同樣會同切削抗力一起作用，引起變形。

1.4 零件的裝夾條件

因為鋁合金薄壁零件缺乏較強的剛性，加工過程中由于壓、夾彈性變形會降低尺寸、形狀、位置三者的精度。此外，假如沒有選擇合適的支撐力和夾緊力的作用點，會形成附加應(yīng)力。一旦裝夾力過大，該零件非常容易因為擠壓而變形。假如裝夾力不足，則在加工過程中出現(xiàn)裝夾不穩(wěn)，零件發(fā)生移動的情況，必然會對加工精度造成嚴重影響。

1.5 刀具路徑的影響

在對薄壁零件進行切削加工的過程中，采取垂直進道形式可以對腹板加工精度造成影響，采取水平進道形式則會對側(cè)壁加工精度造成影響。此外，機床加工和零件剛度、加工環(huán)境、刀具磨損情況、零件散熱性能等都會給零件加工精度造成相應(yīng)的影響。

2 薄壁件銑削加工變形

在明確加工途徑、裝夾環(huán)境、材料型號的前提下，鋁合金薄壁零件發(fā)生的加工變形通常都是銑削力所引起的。比如，根據(jù)某艙體頂蓋的加工，對銑削力加工變形進行分析。在對頂蓋進行加工時，立銑刀軸向形成的銑削力是形成彈性變形的主要原因，而彈性變形是導(dǎo)致讓刀引發(fā)加工誤差的主因，所以通過有限元分析法的分析主要是為了明確因為銑削力的影響而產(chǎn)生的零件變形量，由此對銑削力進行判斷。此外，根據(jù)分析可對增加的支撐點進行判斷，分析其位置合適與否，由此降低剛性不足部分的變形。同時，根據(jù)不同工況下的量化對比，判斷易變形的部位，為加工工藝提供實際的參考數(shù)據(jù)。

通過MSC/Nastran軟件分析鋁合金頂蓋工況。通過切削力計算辦法，如果對頂蓋尖角進行加工時，在特定的切削條件下，Z向銑削力F為0.07kN，此部位Z向彈性變形最大是0.5032mm，由于公差要求為0.05mm，由此彈性變形變差，表明切削力顯著降低?；谝陨瞎r下零件彈性變形是因為剛性不足而造成的，可考慮在剛性不足的部位加設(shè)支撐點，在有限模型中指的是在指定部位增加零位移約束。在這種工況下，夾角部位最大彈性為0.034mm，滿足公差要求，所以設(shè)置支撐塊不僅能確保生產(chǎn)效率，同時也可以保障生產(chǎn)質(zhì)量，是防止薄壁零件發(fā)生變形的有效措施。

3 銑削工藝對加工變形的控制方案

3.1 選擇工藝樁

鋁合金材質(zhì)的薄壁零件外形一般不規(guī)則，加工時難以平放，所以應(yīng)當設(shè)計一個工藝樁進行支撐。工藝樁也會受力變形，通常無法作為基準。假如零件上下兩側(cè)均需進行加工，比如進氣道蓋板以及頂蓋等，工藝樁應(yīng)當上下貫通，可以利用有限元分析確定工藝樁位置。

3.2 選定加工基準

薄壁零件加工時，一般選擇球形基準，只要找到合適的定位，則可以進行X軸、Y軸、Z軸的定位，此外還需要進行輔助工藝基準的確定。由于加工相關(guān)工位較多，一旦工件發(fā)生位移就會影響加工精度。

在對大型鋁合金零件進行銑削加工時，通常選擇“2x/2y/4z”基準法，這一方法的運行原理為：在X、Y方向上設(shè)置兩個基準，在各個基準上再設(shè)置兩個基準塊。將兩個相距較遠的基準塊作為基準進行加工，距離較近的基準進行輔助校核，兩個基準塊直線度必須保持在0.01mm以內(nèi)。

高速加工重要步驟包含：粗加工除去余量、半精加工及精加工為獲得高質(zhì)的加工表面。結(jié)束一項粗加工或者半精加工之后，均需要將工藝樁的螺絲松開，銑平工藝樁。松開螺絲之后，殘余應(yīng)力得以釋放，由此工件會發(fā)生變形，而基準工藝樁也會出現(xiàn)變形。為確保基準面準確性，可以結(jié)束每一步驟之后釋放應(yīng)力、銑平工藝樁。

3.3 選用銑刀

刀具技術(shù)是進行高度加工的保障，首先需要結(jié)合材料高速環(huán)境下特性選用適合的刀具，進而依據(jù)加工工藝以及刀具性質(zhì)設(shè)計相應(yīng)的刀具參數(shù)和結(jié)構(gòu)。高速加工通常采用的涂層、金剛石、硬質(zhì)合金等材質(zhì)的刀具。

關(guān)于銑削半精加工和精加工，PCD材料精度最高，但是價格過高，考慮到經(jīng)濟和精度兩項因素，選擇硬質(zhì)合金材料最合適。

3.4 選擇切削液

使用切削液可以顯著的降低刀具磨損、優(yōu)化加工表面、提升生產(chǎn)效率。進行粗加工時，因為銑刀直徑及銑削用量均較大，從而形成了大量切削熱，加劇刀具磨損，此時可以使用具有冷卻性能的切削液。假如選用硬質(zhì)合金刀具，因為硬質(zhì)合金自身具有較強的耐熱性，通常不使用切削液，若要使用，使用時要連續(xù)，防止冷熱不均而形成很大的熱應(yīng)力，最終損壞刀具。對鋁合金材料進行精加工時，使用切削液可以提升加工精度，通常選擇離子型切削液。銑削時選擇合適的切削液能夠有效降低銑削力，降低加工材料和切屑間的摩擦。

3.5 CAM編程技術(shù)

CAM編程是重要的數(shù)控加工準備工作，高質(zhì)量的編程可以確保加工質(zhì)量，制作周期的縮減。艙體零件精加工與半精加工可以選擇固定軸輪廓銑，刀具一直保持固定的方向。而對進氣道檢具側(cè)輪廓進行加工時，需要改變刀具方向，可選擇可變軸輪廓銑。通過對鋁合金頂蓋零件的加工進行分析，這種零件正面加工技術(shù)要求極高，刀具不可直接跳過上面的孔，防止刀軌在空下沉產(chǎn)生圓角。為保障刀軌平順，可在孔上建立和邊界實體曲率相同的過渡曲面，從而連續(xù)在引擎蓋和過度面生成刀軌，確?？走吘壋尚钨|(zhì)量。加工方式選擇定軸輪廓銑，采用曲面驅(qū)動，可以防止過切情況。

頂蓋邊緣技術(shù)也存在較高的要求，要求刀軌平順，降低波動。其曲面和邊緣部分需要分別生成刀軌，由此保障邊緣刀軌平順。零件上部分刀具很難加工的位置，比如小半徑的內(nèi)圓角，應(yīng)當采用清根切削驅(qū)動辦法。

3.6 特殊形狀的分型問題

該模型的部分零件形狀相對繁雜，對其加工時可以通過劃分分型面進行處理。因為檢具的大型零件很多無法通過單工位加工，進行零件分型必須結(jié)合下列原則：分型位置的隱蔽性、分型面一貫性、區(qū)域性以及易加

工性。

4 結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)艙體中鋁合金薄壁零件的加工，詳細地論述了些許加工變形控制方案，希望可以對相關(guān)零件加工變形起到一個指導(dǎo)作用。

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作者簡介：樊強博（1976-），西安航天新宇機電設(shè)備廠（原航天科技集團公司7424廠）高級工程師，研究方向：航天產(chǎn)品機加工工藝。

（責(zé)任編輯：王 波）