航空航天薄壁框體零件的高效加工工藝分析

韓前衛(wèi)

（西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司，陜西 西安 710100）

薄壁零件因具有剛性好、總質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中，其形狀復(fù)雜，精度要求較高。但薄壁零件在加工過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)難以裝夾和塑性變形情況，造成加工精度降低，產(chǎn)品品質(zhì)差，生產(chǎn)效率低下現(xiàn)象。某殼體零件就是薄壁件的一種，本文通過(guò)分析框體薄壁零件的加工工藝，總結(jié)了有效控制薄壁件切削加工變形的工藝措施和提高加工效率的方法。

1 框體零件加工變形的原因分析

1.1 材料加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的釋放

薄壁框體零件的殘余應(yīng)力包括：毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力及材料加工過(guò)程中的切削殘余應(yīng)力。由于框體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且去除材料較多，材料在切削過(guò)程中，因刀具與加工面、切屑之間相互摩擦、擠壓，會(huì)在零件表層內(nèi)部容易產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力與毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力相互作用，致使零件某些局部發(fā)生塑性變形[1]，造成不同程度的誤差。

1.2 刀具對(duì)工件的削切作用

在使用刀具削切材料的過(guò)程中，刀具和切削工件之間進(jìn)行摩擦，會(huì)產(chǎn)生切削力和切削熱，在切削力和切削熱共同作用下，易造成材料的回彈變形、塑性變形。薄壁零件在切削力的作用下，會(huì)出現(xiàn)切削震顫而引起加工變形，且變形趨勢(shì)很難把握。切削熱造成了零件各部位溫度不均，影響零件的表面品質(zhì)和加工精度[2]。

1.3 工件的裝夾工藝

工件的裝夾工藝是影響薄壁件制造的首要條件，夾緊力位置、夾緊力和裝夾方案等都是引起薄壁件變形和出現(xiàn)誤差的因素，裝夾不當(dāng)可直接引起加工變形。如圖1所示，零件在工作臺(tái)加工時(shí)，通常用四爪盤卡緊，為保證零件在加工過(guò)程中不松動(dòng)，夾緊力與切削力應(yīng)同步增大，且夾緊力大于切削力，這樣切削出來(lái)的零件在卡爪松開后早已發(fā)生較大變形。精加工和粗加工階段采用同樣的裝夾方式，即使經(jīng)過(guò)磨削加工，也難以滿足圖紙的尺寸和幾何精度要求。

圖1 減小零件加工精度的因素

2 控制加工變形的工藝分析

2.1 消除薄壁零件殘余應(yīng)力

薄壁零件的初始?xì)堄鄳?yīng)力，通常與毛坯材料的受熱因素有關(guān)，而加工殘余應(yīng)力通常在另加加工后才反映出來(lái)。如何發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)薄壁零件制造過(guò)程中的殘余應(yīng)力影響十分重要。

導(dǎo)致薄壁零件的殘余應(yīng)力變形的兩個(gè)主要因素為：受熱因素和機(jī)械力因素。二者的耦合增加了分辨和控制難度。為有效控制薄壁框體零件的殘余應(yīng)力變形，可使用有限元建模（如圖2）分析手段將機(jī)械力因素和受熱因素分離，建立加工模型對(duì)各種因素產(chǎn)生變形的大小進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。針對(duì)殘余應(yīng)力的控制，可以建立零件加工的殘余應(yīng)力模型，使用有限元建模的方式模擬薄壁框體零件變形矯正后的結(jié)果，分析數(shù)值預(yù)測(cè)回彈，由此預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力，并對(duì)變形進(jìn)行量化控制。

圖2 有限元模型

工件毛胚初始?xì)堄鄳?yīng)力的消除，能有效減小零件的加工變形。針對(duì)毛胚初始?xì)堄鄳?yīng)力，可采用預(yù)拉伸、振動(dòng)時(shí)效以及深冷處理的方法。薄壁結(jié)構(gòu)的多框體零件，在加工過(guò)程極易變形，可采用均等去除余量原則輪流進(jìn)行加工，在加工時(shí)保證余量依次遞減并多次輪流，去應(yīng)力效果會(huì)更好，工件加工后變形更小。利用極冷極熱的較大溫差促使工件材料發(fā)生局部微觀塑性變形，從而降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力，使組織均勻性得以改善，穩(wěn)定尺寸，減小工件變形。此外，深冷處理的溫差越大，去應(yīng)力效果越好。

2.2 優(yōu)化加工工藝

薄壁框體工件由于壁厚較小，而壁厚減小會(huì)導(dǎo)致其剛性降低，在銑削加工時(shí)，同時(shí)受切削力、切削熱、切削震動(dòng)等因素的影響而引起工件的回彈變形和擠壓變形，使加工精度難以控制，加工效率不高。因此，選擇合適的刀具、加工工藝和切削參數(shù)是加工薄壁零件時(shí)應(yīng)當(dāng)采取的必要措施[3]。

首先，合理設(shè)計(jì)加工步驟。在切削過(guò)程中，盡可能將工件的未加工部分作為正在初削部分的支撐，減小切削力、切削熱作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以使切削部分處于較佳剛性狀態(tài)。其次，優(yōu)化削切加工工藝。刀具的下刀方式有水平銑削、垂直銑削、S形銑削等幾種，下刀方式直接影響工件加工精度，如垂直進(jìn)刀方式向下壓腹板會(huì)引起腹板彎曲變形。應(yīng)合理控制切削參數(shù)，采取多次、余量漸小的方法，增加走刀次數(shù)和走刀量，以實(shí)現(xiàn)高速、勻速切削的目的。

2.3 優(yōu)化裝夾工藝

針對(duì)工件裝夾工藝的不足，可采取措施優(yōu)化裝卡方式，在每道工序前給工件安裝胎具，以卡緊胎具代替卡緊工件，如圖3所示，以垂直軸向拉緊工件，由此解決工件因裝夾引起的變形問(wèn)題。對(duì)于一些不方便裝夾定位的工件，可使用材料輔助支撐，以提高零件的剛性和緊固零件。澆灌石蠟、石膏，填充低熔點(diǎn)合金填充等工藝方法，通常被用來(lái)作為減小零件變形的方法來(lái)使用。

圖3 工件裝夾示意圖

3 薄壁框體零件高效加工工藝

數(shù)控高速加工是目前廣泛采用的加工工藝，使用這種工藝將控制薄壁零件變形的措施程序固化，從而避免了因操作者不同而引起的質(zhì)量差異。數(shù)控高速加工主要使用高速切割銑削方法，采用粗加工—時(shí)效處理—半精加工—精加工的工藝原則，“小切深，快刀走”走刀方式，其具有明顯優(yōu)勢(shì)：刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與工件接觸的瞬間，工件被軟化，切削力變小而加工速度變快；同時(shí)切削熱被迅速帶走，排除了切削熱造成的工件變形，能保障零件加工精度和提高加工效率[4]。

圖4 薄壁框體零件加工工藝流程

在高速切割銑削粗加工階段，刀具以傾斜圓弧進(jìn)刀或螺旋進(jìn)刀方式切削工件材料，刀具負(fù)荷較穩(wěn)定，刀軌路徑方向不改變，在選擇切削參數(shù)時(shí)，以提高生產(chǎn)率為主，采取高進(jìn)給率、小切削量和高切削速度的原則，進(jìn)刀量和刀深進(jìn)給盡量分別控制在刀具直徑的6%～8%和5%之間。切削路徑的選擇，在進(jìn)刀時(shí)，用圓弧或螺旋進(jìn)刀方式沿等高線逐層切削，走到至深腔部位時(shí)，使用較長(zhǎng)刀具銑削。

在高速切割銑削半精加工階段，銑切運(yùn)動(dòng)不宜劇烈，不可過(guò)切，通常使用水平和垂直的進(jìn)刀方式銑削，切削用量應(yīng)在確保加工品質(zhì)的前提下，將切削效率、經(jīng)濟(jì)成本考慮在內(nèi)。

在高速切割銑削精加工階段，加工余量不能留得太大，否則會(huì)降低工件的加工效率。在加工時(shí)，選擇較小的進(jìn)給，盡量能減小殘余應(yīng)力，從而保證零件表面品質(zhì)，但這樣的精加工工時(shí)耗費(fèi)會(huì)是粗加工的幾倍。針對(duì)薄壁框體零件，應(yīng)擺脫僅憑經(jīng)驗(yàn)確定精加工余量的生產(chǎn)模式，制定合理的精加工余量計(jì)算式，以技術(shù)優(yōu)勢(shì)帶動(dòng)高生產(chǎn)效率的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空航天薄壁框體零件出現(xiàn)加工變形的狀況與加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的釋放、刀具的削切作用及工件的裝夾條件有關(guān)，通過(guò)消除薄壁零件的殘余應(yīng)力、優(yōu)化加工工藝和裝夾工藝，能有效解決這一問(wèn)題。采用數(shù)控高速加工工藝，粗加工—半精加工—精加工的工藝原則，“小切深，快刀走”的走刀方式，合理計(jì)算精加工余量，能有效提高加工效率，實(shí)現(xiàn)薄壁框體零件的高效加工。

[1]陳德蘭.控制薄壁零件變形的工藝措施[J].裝備制造技術(shù)，2010，（6）:119-120.

[2]李 偉.如何提高薄壁零件的加工精度[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，(5)：151.

[3]鄭永康.薄壁零件控制加工變形的工藝方法[J].機(jī)械制造，2012，50(572):88-89.

[4]陳戰(zhàn)士，司曉梅，劉東曉，張成立.復(fù)雜薄壁、薄板類零件高速加工技術(shù)初探[J].航空精密制造技術(shù)，2012，48(1):47-50.