淺談下蓋類薄壁零件加工及變形控制技術(shù)

李凱 陳云龍 李小兵

【摘 要】由于下蓋類零件的薄壁部位面積相對較大，而且孔系孔距精度、配合面精度及各形位公差要求也更加嚴(yán)格，因而在機(jī)加過程中，容易出現(xiàn)變形。針對此問題，本文分析了此類薄壁零件在銑削和磨削過程中的變形規(guī)律，探討了變形控制技術(shù)，旨在為提高此類零件的加工質(zhì)量和效率，提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】下蓋類零件；薄壁零件；變形控制

薄壁零件在航空航天和船舶類產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，因薄壁類零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀特殊、剛度較低，且常應(yīng)用于重要部位，因此，此類零件加工時對其精度與加工工藝的要求比較高，如果薄壁零件出現(xiàn)變形，將是非常嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

一、影響薄壁件加工變形的主要因素

在薄壁零件加工過程中，影響其加工質(zhì)量造成零件變形的因素有很多。其中影響最大的有三個方面，切削力、裝夾力與殘余應(yīng)力。第一，加工過程中的切削力。對薄壁零件的切削力是影響其形狀、尺寸、位置的最主要因素，加工過程中切削力受到的影響有多個方面，首先是切削參數(shù)的設(shè)置，其次是切削刀具的磨損程度，這些都會影響切削力的設(shè)定值，而零件受到切削力的影響，應(yīng)力與熱量的影響會造成其變形。第二，工具裝夾的裝夾力。工具裝夾是將刀具利用夾具固定在相應(yīng)的位置上完成切削工作。而在裝夾過程中，一旦出現(xiàn)位置偏移或是裝夾力不夠，就會造成在走刀時，切削工具受力影響造成偏移，從而影響薄壁零件的精度，出現(xiàn)變形的情況。第三，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力。在薄壁零件加工時，對毛坯材料的切削程度大、去除量高，剩余材料的剛度也隨之減小，零件內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放是根據(jù)行刀路線進(jìn)行改變的，因此加工過程中零件部位的剛度也不相同，在進(jìn)行加工時切削力與切削的熱量都會使零件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這個過程對零件的精度有著很大的影響。第四，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。

二、下蓋類薄壁零件加工技術(shù)問題及變形控制對策

（一）存在的技術(shù)問題

某零件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其型面部位薄厚不均勻，薄壁部位面積較大，開口腔槽較多，銑削易變形。

存在的主要技術(shù)問題有：一是熱處理前在去除大余量的粗加工中，變形較大，型面面積大且薄。加工后經(jīng)測量，型面變形量在 0.3～0.5mm，這給后續(xù)工序加工造成了較大困難。二是精銑外形、槽、下陷面時，零件加工變形較大。

（二）變形控制對策

薄壁零件外形一般不規(guī)則，加工時難以平放，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)計一個工藝樁進(jìn)行支撐。工藝樁也會受力變形，通常無法作為基準(zhǔn)。假如零件上下兩側(cè)均需進(jìn)行加工，比如進(jìn)氣道蓋板以及頂蓋等，工藝樁應(yīng)當(dāng)上下貫通，可以利用有限元分析確定工藝樁位置。薄壁零件加工時，一般選擇球形基準(zhǔn)，只要找到合適的定位，則可以進(jìn)行X軸、Y軸、Z軸的定位，此外還需要進(jìn)行輔助工藝基準(zhǔn)的確定。

1、熱處理前下陷面去除大余量B面（見圖1），虎鉗夾緊，分層銑削，每次切削深度為1 mm，進(jìn)給量F為300mm/min，轉(zhuǎn)速S為800 r/min；反面加工薄壁大面時，自制定位工裝以圖1中B面定位，壓板壓緊圖3中平面，分2次銑削。第一次壓緊圖3中的1和2點(diǎn)位，加工右側(cè)面，再壓緊3和4點(diǎn)位，加工左側(cè)面。定位工裝如圖2所示。之前用虎鉗夾緊，但較大的夾緊力使得中間薄壁地方凸起，零件銑削后卸下，中間薄壁部分彎曲變形較大，變形量在0.3～0.4 mm之間，這造成后續(xù)精磨大面，中間余量不足。改用壓板壓緊，效果明顯。

2、精磨精加工基準(zhǔn)面。（1）先磨圖1中4處凸臺面，保證4處小平面為一個平面。（2）磨大底面，之前采用1個截面上以1個砂輪寬度（40mm），每次切削深度為0.04～0.05 mm，零件寬度需要3～4個砂輪寬度，這樣順次一個砂輪寬度為一個截面，再進(jìn)行下一個截面，最后一次加工完整個平面，這樣使得區(qū)域截面切削力較大，產(chǎn)生的變形也大；零件磨削后，用刀口尺測量大面平面度局部在0.15～0.3mm。經(jīng)過驗證，采用一次切削深度0.04～0.05 mm，加工完整個大面，再以此方法分層加工整個平面，這樣切削力在整個大面上力度均勻，磨削后用刀口尺測量大面平面度在0.1 mm內(nèi)，控制磨削加工變形量明顯。

3、在精銑外形、槽、下陷面中，此時零件大面厚度為3mm，局部為1.5 mm，加工時大面易出現(xiàn)變形，一般的組合夾具難以解決此問題。通過自行設(shè)計裝夾工裝，使工裝的主定位面與零件大面較好地貼合，通過調(diào)節(jié)壓板位置加工零件，且工裝制作充分慮了零件直角部分的干涉，加工時利用零件大面定位，與工裝較好貼合，以孔定位，考慮到定位銷直徑較小，長度較短，故增加2個間隙較大的輔助定位銷；一次裝夾零件，加工中通過簡單的3次倒壓板，可以一次裝夾完成銑下陷面、外形和槽的加工。避免了多次裝夾造成的尺寸加工不穩(wěn)定。

4、切削參數(shù)選定。加工圖1中B面下陷面，4處凸臺側(cè)面，中間下陷面等。使用2把刀具：準(zhǔn)25可轉(zhuǎn)位立銑刀，精銑下陷面，進(jìn)給量F為600 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1200 r/min；分3層銑削，前2層切深均為0.4～0.5 mm，最后1層切深為0.2～0.3 mm。加工圖1兩側(cè)外形，使用準(zhǔn)12立銑刀精銑進(jìn)給量F為150 mm/min，轉(zhuǎn)速S為700 r/min。加工開口槽，使用準(zhǔn)12合金立銑刀精加工槽進(jìn)給量F為400 mm/min，轉(zhuǎn)速S為800 r/min。5）除了以上措施外，局部加工內(nèi)容先后順序也很重要，在圖1中，先磨削中間斜面處的開口槽（精度較高），然后再銑2處斜面，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)開口槽尺寸因零件加工變形而超差，于是將銑斜面內(nèi)容提前至磨削槽腔之前，效果較好。

三、結(jié)語

綜上所述，本文針對下蓋類零件薄壁部位面積較大，且孔系孔距精度、配合面精度及各形位公差要求較嚴(yán)，機(jī)加過程變形較大的問題，提出合理的加工思路：熱處理前粗銑去除大余量，熱處理后先校正大面；磨削大面（基準(zhǔn)面）；精銑外形；大面校正；精銑槽；銑斜面；再次校正大面；磨開口槽等；在零件的各個加工階段，通過采用穩(wěn)定可靠的裝夾方式、合理的壓緊點(diǎn)位和切削參數(shù)，改善加工方法，減小零件變形，提高零件加工質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊立新. 淺談薄壁零件加工變形的原因及控制方案[J]. 黑龍江科技信息，2016，（22）：128.

[2]王興超，劉一. 薄壁零件加工變形控制方法研究[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015，（16）：74.

（作者單位：貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司）