控制薄壁零件變形的工藝措施

陳德蘭

（中航工業成都凱天電子有限責任公司，四川成都610091）

解決薄壁零件的加工變形，歷來是機械加工行業的主要難題。為此，國內外學者通過大量的理論分析和實驗研究，建立了若干種動態、靜態的加工模型，利用有限元技術模擬分析刀具和工件的加工變形，并由此提出了一些有效的加工方法，使薄壁件的加工技術有了一定的突破。我們在實際生產中，根據不斷出現的變形情況，采取相應措施控制變形，取得了較好的效果。

1 產生變形的原因

薄壁零件產生加工變形的原因很多，首先在零件設計時，要考慮其結構的工藝性，零件形狀應提高其結構剛性，避免加工變形；盡量作到結構對稱、薄壁厚度均勻一致，不能發生突變。選擇毛坯時，盡量選用消除了內應力的原材料。在制造系統中，零件加工變形的主要因素有：

（1）工件的裝夾條件。因薄壁零件剛性差，加工時因夾緊力與支承力的作用點選擇不當，會引起附加應力；夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度，產生加工變形。所以，零件加工時的裝夾、定位設計是減小變形、保證質量的重要因素之一。

（2）加工殘余應力。零件在加工過程中，由于刀具對已加工面的擠壓、刀具前刀面與切屑、后刀面與已加工表面之間的摩擦等綜合作用，使零件表層內部產生新的加工殘余應力。殘余應力是一個不穩定的應力狀態，當零件受到外力作用時，外力與殘余應力相互作用，使其某些局部呈現塑性變形，截面內的應力重新分配，當外力作用去除后，整個零件由于內部殘余應力的作用發生變形，這種切削過程中殘余應力的重新分布引起的工件變形，對加工質量產生重要影響。

（3）切削力和切削熱、切削振動。在切削過程中，為了克服被加工材料的彈性變形、塑性變形以及刀具與切屑和工件之間的摩擦，會產生切削力和切削熱，在切削力和切削熱的作用下，容易產生振動和變形，影響工件加工質量。

另外，機床、工裝的剛度，切削刀具及其角度、切削參數和零件冷卻散熱情況等對零件的變形也有一定的影響。所有因素中，切削力、夾緊力以及殘余應力，是產生加工變形的主要因素。

2 控制零件受力變形的工藝措施

2.1 利用零件的整體剛性加工薄壁零件

隨著零件壁厚的減小，其剛性降低，加工變形增大。因此，在切削過程中，盡可能地利用零件的未加工部分，作為正在切削部分的支撐，使切削過程處在剛性較佳的狀態。如：腔內有腹板的腔體類零件，加工時，銑刀從毛坯中間位置以螺旋線方式下刀以減少垂直分力對腹板的壓力，在深度方向銑到尺寸，再從中間向四周擴展至側壁。內腔深度較大時，按如上方法分多層加工。該方法能有效地降低切削變形及其影響，降低了由于剛性降低而可能發生的切削振動。

2.2 采用輔助支撐

對于薄壁結構的腔類零件加工，關鍵問題就是要解決由于裝夾力引起的變形。為此，可通過在腔內加膜胎（橡膠膜胎或硬膜胎），以提高零件的剛性，抑制零件的加工變形；或采用石蠟、低熔點合金填充法等工藝方法，加強支撐.進而達到減小變形、提高精度的目的。

2.3 設計工藝加強筋，提高剛性

對于薄壁零件，增加工藝筋條，以加強剛性，是工藝設計常用的手段之一。如圖1a所示的圓支管，加工長槽時，在右端上下二槽口留3 mm加強筋（如圖1b），然后進行去應力處理，最后用線切割（加工應力小）去掉加強筋、并用心軸進行校形。按此方法加工的零件，變形可控制在設計精度范圍內。

圖1 設計工藝加強筋，提高剛性

2.4 對稱分層銑削，讓應力均勻釋放

毛坯初始殘余應力對稱釋放，可以有效減小零件的加工變形。對厚度兩面需進行加工的板類零件，采用上下兩面去除余量均等的原則，進行輪流加工，即在上平面去除δ余量，然后翻面，將另一面也去除δ余量。加工時采用余量依次遞減的原則，輪流的次數越多，其應力釋放越徹底，工件加工后變形越小。

2.5 刀具下刀方式的優化

刀具下刀方式對零件的加工變形有直接的影響。如垂直進刀方式，對腹板有向下的壓力，會引起腹板的彎曲變形；而水平進刀方式，對側壁有擠壓作用，在刀具剛性不足時造成讓刀，從而影響加工精度。

如圖2中的a圖所示某零件，凸塊高3 mm，腹板厚2 mm，選材為LY12-CZ鋁合金。首次加工時零件平放，用片銑刀垂直進刀開槽，結果腹板變形嚴重，且2 mm×3 mm凸塊有倒塌的情況出現；改進工藝方法后如圖b所示豎放，片銑刀水平進刀，加工完一半后、換另一半加工。然后按相同方法加工另一方向的槽。按此方法加工的零件變形小、質量穩定。

圖2 下刀方式對加工變形的影響

2.6 采用數控高速加工

隨著數控機床的普及應用，許多控制薄壁零件變形的措施得以用程序固化，避免了因操作者的不同而出現質量差異的情況。對精度較高的薄壁零件，可以采用數控高速加工的方式控制變形。高速加工采用“小切深，快走刀”的方式，使刀具在高速旋轉時，與工件接觸的瞬間，工件產生軟化狀態，切屑成碎屑狀，切削力迅速下降，加工變得很輕快；同時切削熱在第一時間被迅速帶走，使工件表面基本保持在室溫狀態，從而排除了因加工而導致的零件變形。

2.7 熱處理去應力

薄壁結構的零件在加工過程中，因應力釋放極易變形，工藝方法常采用粗、精加工分開進行，并在粗加工后進行去應力處理，即采用粗加工—去應力熱處理—精加工的流程。對于變形嚴重的高精度零件，還要安排半精加工，并進行多次去應力處理。

另外，振動消除應力、深冷處理去應力等措施，效果較好，但其應用范圍需進一步推廣。

2.8 合理選擇工件定位裝夾方法

為控制加工變形，除進行工藝方法的優化外，還需要合理選擇工件裝夾方法，減小夾緊力對變形的影響。

（1）定位心軸。當軸類薄壁零件以內孔定位，加工外型面及其孔系時，常采用心軸定位、軸向夾緊的方式加工。采用軸向夾緊工件的夾具，使夾緊力作用在剛度較大的軸向。如圖1a所示的圓支管，選用LY12-CZ φ60 mm×265 mm棒材加工成形。要求以孔定位，加工外形上的孔系及槽、刻線等內容。零件定位裝夾方式如圖3所示，采用臺階心軸，左邊一段外圓與零件內孔配合，右邊采用襯套定位，用墊圈和螺母緊固，采用一夾一頂的方式進行加工。此定位有效地避免了徑向發生大的變形。

圖3 軸類薄壁件的心軸定位圖

（2）軟爪。當采用外圓定位、加工內型面的工藝方案時，夾緊力不宜集中于工件的某一部分，應使其分布在較大的面積上，使工件單位面積上所受的夾緊力較小，從而減少其變形。為此，可以采用扇形軟爪，即在卡盤上安裝銅制卡爪，根據零件實際直徑鏜出扇形定位面，以增加卡爪的寬度和長度。

（3）通用壓板。采用通用壓板裝夾板類零件的裝夾要點，是壓板的數量和在機床工作臺面上圍繞毛坯的作用點分布，還有夾緊力的大小。一般地說，壓板數量應當適中，作用點分布位置需要均勻錯開，壓緊時對稱用力并夾緊力盡可能小些。如果薄壁件的長、寬尺寸大，而厚度很小時，采用通用壓板壓緊后，毛坯中間部位容易產生翹曲變形，影響加工精度，此時需分區域加工或配以磁鐵吸附。

近年來，真空吸盤夾具逐漸進入機械加工領域，真空吸盤夾緊力分布均勻、大小一致，沒有機械夾緊件，不會造成工件局部變形，十分適合裝夾薄壁件；但真空吸盤夾具需要定制系統，成本高，僅適用于批量生產。

3 結束語

以上分析了薄壁零件的變形原因，主要為應力釋放變形和受力變形，本文提出了有效的控制方法——選用合適的防變形裝夾技術，采用數控高速加工優化工藝流程。同時，根據零件的具體結構，采取不同的工藝措施及手段，如工序安排、走刀路線優化等，可有效地控制薄壁零件的變形。

[1]張耀宸.機械加工工藝設計實用手冊[M].北京：航空工業出版社，1993.