大型薄壁元件機加工變形控制分析

（云浮市中等專業(yè)學(xué)校，廣東 云浮 527300）

大型薄壁元件機加工變形控制分析

汪秀琴

（云浮市中等專業(yè)學(xué)校，廣東 云浮 527300）

薄壁元件一般指壁厚與輪廓尺寸之比小于1∶20的零件，它們的壁厚通常小于2mm。大型薄壁元件結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，相對剛度較低，在加工過程中很容易出現(xiàn)變形、失穩(wěn)、振動等問題，不僅加工效率低，而且加工的精度和質(zhì)量都很難保證，是國內(nèi)外公認的機械制造難題。本文針對大型薄壁元件機加工變形控制問題進行了分析和討論。

大型薄壁元件；機加工；變形控制

1 大型薄壁元件的主要類型與加工變形的影響因素

1.1 大型薄壁元件主要類型

按照零件形狀特點，薄壁元件一般可分為殼體類、套筒類、環(huán)形類、盤形類、平板類、軸類和特型類，在航空工業(yè)中通常根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為框體類、梁類、整體壁板類、緣條長桁類、發(fā)動機結(jié)構(gòu)中的薄壁類等?？蝮w類元件一般是飛機橫向結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件，由側(cè)壁和腹板組成。梁類元件也是飛機承力構(gòu)件，其截面形式有工字型、U型和其他異型。整體壁板類元件同樣是飛機承力構(gòu)件，由筋條、凸臺、蒙皮等組成。緣條長桁類元件主要作為機身、機翼縱向結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。發(fā)動機結(jié)構(gòu)中的薄壁類元件是一些葉片、盤類、機匣結(jié)構(gòu)、空心細長軸、鼓筒類軸等零件。

1.2 大型薄壁元件加工變形的影響因素

大型薄壁元件加工變形的影響因素不僅多，而且這些因素間還存在相互耦合關(guān)系，所以這些因素非常復(fù)雜，它們與毛坯材質(zhì)、零件形狀、加工設(shè)備、工藝方法、操作人員、環(huán)境因素等都有關(guān)。工件的彈性變形、工藝變形和殘余應(yīng)力是引起薄壁元件加工變形最重要的幾個原因，而工件加工后的殘余應(yīng)力是主導(dǎo)大型薄壁元件整體變形的關(guān)鍵因素，并通過殘余應(yīng)力的大小和分布狀態(tài)來影響其他相關(guān)因素。不同研究者的角度和過程的差異，造成對薄壁元件變形因素的分析也有所不同。

2 大型薄壁元件加工變形控制方法

2.1 大型薄壁元件加工變形的研究方法

顯然，要控制大型薄壁元件的加工變形，首先必須掌握它的變化規(guī)律。目前，主要通過兩條途徑來研究大型薄壁元件的加工變形：一條是數(shù)值模擬分析法，即借助計算機技術(shù)采用有限元法模擬工件切削成形過程和加工工藝，這對于解決與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)、大應(yīng)變速率、大彈塑性變形問題很有優(yōu)勢。在建立有限元模型基礎(chǔ)上進行少量試驗驗證，就能比較精確地分析和預(yù)測薄壁元件的加工變形，再利用數(shù)控補償技術(shù)進行補償控制，就能在保證數(shù)控加工精度要求的前提下進一步提高加工效率。另一條途徑是試驗研究方法，機加工作為一門來源于實踐的技術(shù)，試驗研究一直是建立理論和驗證理論的基礎(chǔ)，經(jīng)過眾多學(xué)者多年研究目前已建立了切削機理、切削力、加工變形、機床-刀具-工件系統(tǒng)等力學(xué)模型和工藝方法，但是單純試驗研究周期長、工作量大，所以需要結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)才能有效解決研究效率和降低試驗成本問題。

2.2 大型薄壁元件加工變形控制的常用方法

2.2.1 適當?shù)难b夾方式

目前，工件裝夾系統(tǒng)的研究主要集中在裝夾順序、夾緊力以及位置等對工件加工精度的影響方面，目標是提高機加工過程中的尺寸精度和定位精度。對于較小尺寸的薄壁件采用虎鉗夾緊或?qū)⒘慵糜谔ゾ呱霞纯?，而大型薄壁元件宜采用真空吸附并輔以側(cè)面壓板方式，剛性與穩(wěn)定性好，裝夾效率高。薄壁圓筒元件可采用磁流變夾具，利用磁流變液體通入磁通后變成固體的性質(zhì)，可提高工件剛性，減少加工變形。目前，大型薄壁元件裝夾設(shè)計還主要依靠經(jīng)驗，重用性差，設(shè)計效率和質(zhì)量較低低，裝夾系統(tǒng)的整合優(yōu)化是今后研究的重點。

2.2.2 合理的加工參數(shù)

粗加工以高效率、低成本為前提，要求切削量大，精加工以控制精度和變形為主。航空薄壁元件材料以鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料為主，鋁合金仍然是使用比例最高的材料。鋁合金的特點是彈性模量?。ㄖ挥袖摬牡?/3），屈服比大，剛度較低，加工回彈較嚴重。只有刀具參數(shù)與工件材料匹配，才能獲得最佳切削效果。鋁合金銑削常用的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、聚晶金剛石等。硬質(zhì)合金刀具最常用，其類型有P、M、K三類，前兩類均含有TiC成分，與鋁親和而不利于切削，所以宜選用K系列刀具。同時還應(yīng)合理選擇刀具幾何參數(shù)，如前角不宜過小，以免過快磨損前刀面而降低刀具壽命，但前角也不能過大，以免影響刀具散熱而加快磨損，一般γ應(yīng)在12°左右；后角影響刀具剛度，為了保證剛度又不影響散熱，可選用雙倒棱后角；刃傾角對切屑流出方向及各方向切削分力大小都有影響，鑒于鋁合金塑性較大，應(yīng)選用較大的刃傾角，一般λs取20°～25°為宜。銑削工藝參數(shù)包括切深（軸向αp、徑向αe）、進給速度Vf、切削速度Vc、銑削方式、冷卻方式等。精加工首先應(yīng)保證加工精度和表面質(zhì)量，同時顧及加工效率和刀具壽命，所以應(yīng)選用較小的切深和進給量，然后再確定合理的切削速度。逆銑容易引起切削振動和產(chǎn)生振紋，所以宜采用順銑方式，但順銑對刀具和工件沖擊較大，所以應(yīng)減少刀具懸伸長度并增加工件剛度。銑削軟鋁合金一般采用高壓空氣和油霧冷卻，如采用硬質(zhì)合金刀具加工ZL101可采用水冷方式；而采用硬質(zhì)合金刀具銑削6061鍛鋁合金或2A12硬鋁合金時可干銑，也可采用乳化液冷卻。

2.2.3 恰當?shù)难a償方法

由于工件加工時的回彈現(xiàn)象，走刀過后薄壁元件側(cè)壁殘留一部分材料未被切除，造成壁厚誤差，這種情況一般稱作讓刀。為了保證加工精度，可以在常規(guī)銑削方式下進行過切補償，即根據(jù)有限元模擬分析的變形大小，在數(shù)控編程中在原有走刀軌跡里按變形程度附加連續(xù)偏擺，以補償讓刀量，無需重復(fù)走刀就能保證壁厚加工精度。

2.2.4 其他實用技術(shù)的應(yīng)用

利用高速切削技術(shù)，切削力比普通切削減小30%，工件溫升降低，可以顯著減小切削過程中的殘余應(yīng)力，可提高加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。超聲振動切削技術(shù)是在普通切削的基礎(chǔ)上給刀具附加脈沖振動，由于這種振頻遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，可以抑制切削過程中的振動，并具有切削力小、精度高、加工穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的特點。

結(jié)語

薄壁元件在航空、航天、武器、汽車等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而大型薄壁元件應(yīng)用最多的還是航空工業(yè)。由于薄壁元件加工技術(shù)復(fù)雜，近些年來一直是機械加工領(lǐng)域研究的熱門課題。歐美、日本等國的薄壁元件加工變形控制技術(shù)水平很高，我國與之相比差距較大，這需要機械加工行業(yè)同仁付出艱苦的努力才能縮小并趕上發(fā)達國家的水平。

[1]葉建友，呂彥明，李強，等.薄壁件切削加工變形及補償技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2014（02）.

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