薄壁類零件加工工藝和應(yīng)用

唐倩，李金鳳，孫造，王盟

（通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

薄壁零件具有比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在高端制造等領(lǐng)域中得到大量應(yīng)用。飛機(jī)結(jié)構(gòu)框架中大量使用薄壁類零件，如梁類零件及航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)類零件等，薄壁類零件通常采用切削等加工方式，但在夾緊力及切削振動(dòng)等因素作用下會(huì)產(chǎn)生較大變形，切削加工余量大，對(duì)難加工材料加工成本高，傳統(tǒng)加工方式難以滿足需求。精密的薄壁零件加工技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是制造科技中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃主要內(nèi)容。

1 薄壁類零件加工工藝

薄壁類零件是壁厚小于1mm的金屬零件，具有節(jié)約材料等特點(diǎn)，薄壁類零件用途廣泛。但薄壁類零件強(qiáng)度比較弱，對(duì)零件加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。薄壁類零件加工主要有切削加工，電加工等方式，由于薄壁類零件剛性較弱，相關(guān)研究集中于應(yīng)力應(yīng)變研究。

切削加工是薄壁類零件加工常用方式，包括車削等工藝。隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，切削力與切削熱大幅度降低，切削加工在薄壁零件加工中有著廣泛的應(yīng)用。工件在切削中會(huì)受到切削力等作用發(fā)生變形，控制薄壁類零件切削加工精度是研究難點(diǎn)。激光熔覆加工是快速無(wú)模加工方式，熔覆材料冷凝后與基材融合，通過(guò)后處理完成零件的加工，加工方式具有成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于基材與熔覆材料熱膨脹系統(tǒng)不同，界面處易產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，降低工件的性能。電加工中對(duì)工件無(wú)宏觀切削力，有效降低了變形，是目前加工薄壁零件理想的工藝。

電火花切割加工是廣泛應(yīng)用的加工工藝，具有表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，電火花線切割工藝成為薄壁類零件理想加工方式。隨著現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，薄壁類零件對(duì)加工精度不斷提高。電火花線切割不會(huì)產(chǎn)生宏觀作用力，但會(huì)導(dǎo)致熱變形影響薄壁類零件直線度誤差。制約在薄壁類加工的應(yīng)用。薄壁類零件數(shù)控加工分為粗精加工階段。粗加工階段主要對(duì)薄壁類零件進(jìn)行簡(jiǎn)易加工，需根據(jù)零件特點(diǎn)選擇適合的加工工藝[2]。半精加工階段主要對(duì)次要表面處理，加工完后將多余部分清除。精加工階段利用精車零件外圓方式進(jìn)行細(xì)加工。

2 薄壁類零件加工技術(shù)發(fā)展

薄壁類零件易發(fā)生變形，電火花線切割加工研究在加工效果預(yù)測(cè)等方面取得一定成果，但有動(dòng)態(tài)蝕除過(guò)程改變零件剛性，電極絲隨機(jī)振動(dòng)對(duì)熱應(yīng)力分布影響，制約薄壁零件電火花線切割工藝的應(yīng)用。目前薄壁類零件電火花線切割變形行為機(jī)理研究難點(diǎn)包括加工中蝕除量難以計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)薄壁類零件熱變形補(bǔ)償，線切割加工中溫度分布難以描述等。薄壁類零件熱變形對(duì)蝕除量非常敏感，目前對(duì)蝕除量預(yù)測(cè)包括實(shí)驗(yàn)方法，有限元方法，實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)勢(shì)是預(yù)測(cè)精度較高，但薄壁類零件熱變形是熱源移動(dòng)-熱變形動(dòng)態(tài)過(guò)程；分子動(dòng)力學(xué)法可準(zhǔn)確描述電加工蝕除過(guò)程，但分子動(dòng)力學(xué)受到模擬時(shí)間無(wú)法對(duì)實(shí)際加工進(jìn)行計(jì)算。有限元法具有較大的一能用范圍，但有限元法對(duì)蝕除量預(yù)測(cè)精度較差[3]。對(duì)薄壁件電加工蝕除量預(yù)測(cè)急需精確可靠的計(jì)算方法。幾何誤差控制中通過(guò)路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償是常用方法，但無(wú)法預(yù)測(cè)加工中的熱變形。由于加工條件決定熱變形量，如何根據(jù)加工條件實(shí)現(xiàn)加工路徑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償具有很大挑戰(zhàn)性。

曲面薄壁工裝發(fā)展方向是成形與加工統(tǒng)一化，機(jī)床與工裝集成化，工裝系統(tǒng)與檢測(cè)系統(tǒng)一體化。實(shí)現(xiàn)機(jī)床與工裝繼承表明系統(tǒng)可進(jìn)行信息交換，表現(xiàn)在工裝系統(tǒng)安裝傳感器裝置，控制系統(tǒng)計(jì)算相應(yīng)的變形量；通過(guò)機(jī)床安裝機(jī)械手，達(dá)到使工件變形量最小布局形態(tài)。近年來(lái)曲面薄壁變形問(wèn)題出現(xiàn)先成型加工工藝，但成型后半成品出現(xiàn)回彈，如果成型與加工相結(jié)合，可避免工件回彈造成影響。目前航空制造薄壁類零件裝配基本靠人工完成，數(shù)字化裝配技術(shù)可提高曲面薄壁裝配效率。飛行器曲面薄壁類零件種類多，工裝設(shè)備數(shù)量增多，工裝系統(tǒng)智能化要求支撐夾持裝置可隨曲面薄壁種類變化[4]。

3 薄壁類零件加工影響因素

薄壁類零件具有輕量化優(yōu)越動(dòng)態(tài)性能，但零件剛性較差，數(shù)控加工是機(jī)加工的難題，提高加工精度需要分析相關(guān)影響因素。加工精度是零件表面實(shí)際尺寸等與圖紙要求幾何參數(shù)符合度，主要包括裝卡引起工件變形、切削力引起的誤差等。

零件變形是影響加工精度主要因素，要提高薄壁零件加工質(zhì)量，需獲得尺寸形狀穩(wěn)定的薄壁零件。裝夾質(zhì)量不合格會(huì)造成脫夾等情況，零件加工剛度不符合要求可能導(dǎo)致零件變形。要結(jié)合薄壁類零件加工要求合理設(shè)置走刀，加工工藝路線影響薄壁類零件加工效率，在設(shè)計(jì)工藝路線時(shí)未充分考慮變形處理等細(xì)節(jié)問(wèn)題會(huì)影響加工效率，設(shè)計(jì)工藝路線時(shí)需充分考慮細(xì)節(jié)問(wèn)題。

航空航天技術(shù)綜合眾多學(xué)科，航天產(chǎn)品研發(fā)水平反映國(guó)家工業(yè)化水平，各國(guó)飛行器性能要求不斷提高，出現(xiàn)復(fù)合材料薄壁件的廣泛應(yīng)用。先進(jìn)的復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度與低膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基復(fù)合材料是航空航天高溫結(jié)構(gòu)材料研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)代大型飛行器機(jī)械機(jī)構(gòu)多采用整體性合金金屬，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，零件加工裝配易受到外在荷載的影響發(fā)生變形。

4 薄壁類零件加工工藝優(yōu)化

薄壁類零件加工要通過(guò)優(yōu)化仿真加工技術(shù)，改進(jìn)零件裝夾工藝，合理優(yōu)化走刀路徑等方法提升加工技術(shù)工藝。薄壁類零件加工承受負(fù)載列陣雨變形有關(guān)，可根據(jù)F=KU公式分析零件數(shù)控仿真加工工藝，通過(guò)調(diào)整F零件加工承受負(fù)載陣列降低薄壁類零件變形幾率，改進(jìn)零件數(shù)控加工工藝[2]。通暢提高零件輕度矩陣可通過(guò)選擇原材料增強(qiáng)強(qiáng)度，可利用填充物質(zhì)方式增強(qiáng)原材料強(qiáng)度。按照公式對(duì)薄壁類零件加工模擬仿真。零件裝夾對(duì)薄壁類零件加工工藝有很大的影響，需要研究裝夾工藝保證滿足要求。要保證零件裝夾結(jié)構(gòu)緊湊，在薄壁類零件數(shù)控加工中，合理控制零件裝夾重心，有效控制慣性力，提高零件加工質(zhì)量。要合理設(shè)置零件裝夾剛度，根據(jù)薄壁類零件情況選擇懸伸長(zhǎng)度。要哦提高對(duì)平衡問(wèn)題的重視，配重問(wèn)題會(huì)直接影響零件裝夾振動(dòng)，要合理選擇減重孔，減少零件裝夾回轉(zhuǎn)受到離心力作用。增強(qiáng)裝夾機(jī)構(gòu)耐久性可降低損壞幾率，加大零件裝夾夾緊力，可避免出現(xiàn)脫夾情況。安裝零件裝夾需保證與數(shù)控機(jī)床契合。

合理控制走刀路徑有利于優(yōu)化薄壁類零件加工工藝，應(yīng)深入研究切削量，在薄壁套走刀加工時(shí)根據(jù)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度，背吃刀量計(jì)算走刀路徑，根據(jù)Ra=f2×50/rg公式計(jì)算薄壁套表面粗糙度，明確切削量后規(guī)劃切削路徑，可利用一次性粗加工方法進(jìn)行加工，使刀具沿XY方向平移運(yùn)動(dòng)，提高零件加工精度[5]。需要增大刀具的前后角，技術(shù)人員要對(duì)加工工序綜合分析，找出解決加工工藝中的問(wèn)題。設(shè)計(jì)工藝路線需考慮變形情況等細(xì)節(jié)問(wèn)題，優(yōu)化可能出現(xiàn)問(wèn)題的加工步驟，分析受力情況，避免出現(xiàn)振動(dòng)情況。

5 結(jié)語(yǔ)

薄壁類零件在工業(yè)加工中應(yīng)用廣泛，在數(shù)控加工中受到切削角度等多種因素影響，需要積極改進(jìn)加工工藝，保證零件加工質(zhì)量。薄壁類零件使用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式易造成較大殘余應(yīng)力，電火花線切割工藝加工中無(wú)宏觀力，但薄壁類零件自身剛性較差，使得線切割工藝難以加工大尺寸零件，由于熱變形涉及到蝕除、熱力耦合分析等復(fù)雜問(wèn)題，傳統(tǒng)定性分析方法難以解釋熱變形現(xiàn)象。采用數(shù)值模擬方式研究可以準(zhǔn)確描述電加工過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)目前薄壁類零件常用加工方法研究，結(jié)合走刀路徑、合理選擇工藝路線原則等知識(shí)，提出高效的加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。隨著數(shù)控加工技術(shù)水平的提高，零件加工工藝也在不斷進(jìn)步。