陳德蘭

（中航工業(yè)成都凱天電子有限責(zé)任公司，四川成都610091）

解決薄壁零件的加工變形，歷來(lái)是機(jī)械加工行業(yè)的主要難題。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，建立了若干種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的加工模型，利用有限元技術(shù)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(shù)有了一定的突破。我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)不斷出現(xiàn)的變形情況，采取相應(yīng)措施控制變形，取得了較好的效果。

1 產(chǎn)生變形的原因

薄壁零件產(chǎn)生加工變形的原因很多，首先在零件設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其結(jié)構(gòu)的工藝性，零件形狀應(yīng)提高其結(jié)構(gòu)剛性，避免加工變形；盡量作到結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、薄壁厚度均勻一致，不能發(fā)生突變。選擇毛坯時(shí)，盡量選用消除了內(nèi)應(yīng)力的原材料。在制造系統(tǒng)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(shí)因夾緊力與支承力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)，會(huì)引起附加應(yīng)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(chǎn)生加工變形。所以，零件加工時(shí)的裝夾、定位設(shè)計(jì)是減小變形、保證質(zhì)量的重要因素之一。

（2）加工殘余應(yīng)力。零件在加工過(guò)程中，由于刀具對(duì)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(nèi)部產(chǎn)生新的加工殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)零件受到外力作用時(shí)，外力與殘余應(yīng)力相互作用，使其某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)的應(yīng)力重新分配，當(dāng)外力作用去除后，整個(gè)零件由于內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用發(fā)生變形，這種切削過(guò)程中殘余應(yīng)力的重新分布引起的工件變形，對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。

（3）切削力和切削熱、切削振動(dòng)。在切削過(guò)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(huì)產(chǎn)生切削力和切削熱，在切削力和切削熱的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，影響工件加工質(zhì)量。

另外，機(jī)床、工裝的剛度，切削刀具及其角度、切削參數(shù)和零件冷卻散熱情況等對(duì)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(yīng)力，是產(chǎn)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(guò)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(guò)程處在剛性較佳的狀態(tài)。如：腔內(nèi)有腹板的腔體類(lèi)零件，加工時(shí)，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(duì)腹板的壓力，在深度方向銑到尺寸，再?gòu)闹虚g向四周擴(kuò)展至側(cè)壁。內(nèi)腔深度較大時(shí)，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(fā)生的切削振動(dòng)。

2.2 采用輔助支撐

對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的腔類(lèi)零件加工，關(guān)鍵問(wèn)題就是要解決由于裝夾力引起的變形。為此，可通過(guò)在腔內(nèi)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(diǎn)合金填充法等工藝方法，加強(qiáng)支撐.進(jìn)而達(dá)到減小變形、提高精度的目的。

2.3 設(shè)計(jì)工藝加強(qiáng)筋，提高剛性

對(duì)于薄壁零件，增加工藝筋條，以加強(qiáng)剛性，是工藝設(shè)計(jì)常用的手段之一。如圖1a所示的圓支管，加工長(zhǎng)槽時(shí)，在右端上下二槽口留3 mm加強(qiáng)筋（如圖1b），然后進(jìn)行去應(yīng)力處理，最后用線切割（加工應(yīng)力?。┤サ艏訌?qiáng)筋、并用心軸進(jìn)行校形。按此方法加工的零件，變形可控制在設(shè)計(jì)精度范圍內(nèi)。

圖1 設(shè)計(jì)工藝加強(qiáng)筋，提高剛性

2.4 對(duì)稱(chēng)分層銑削，讓?xiě)?yīng)力均勻釋放

毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)稱(chēng)釋放，可以有效減小零件的加工變形。對(duì)厚度兩面需進(jìn)行加工的板類(lèi)零件，采用上下兩面去除余量均等的原則，進(jìn)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(shí)采用余量依次遞減的原則，輪流的次數(shù)越多，其應(yīng)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(yōu)化

刀具下刀方式對(duì)零件的加工變形有直接的影響。如垂直進(jìn)刀方式，對(duì)腹板有向下的壓力，會(huì)引起腹板的彎曲變形；而水平進(jìn)刀方式，對(duì)側(cè)壁有擠壓作用，在刀具剛性不足時(shí)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L(zhǎng)Y12-CZ鋁合金。首次加工時(shí)零件平放，用片銑刀垂直進(jìn)刀開(kāi)槽，結(jié)果腹板變形嚴(yán)重，且2 mm×3 mm凸塊有倒塌的情況出現(xiàn)；改進(jìn)工藝方法后如圖b所示豎放，片銑刀水平進(jìn)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(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 下刀方式對(duì)加工變形的影響

2.6 采用數(shù)控高速加工

隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)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(xiàn)質(zhì)量差異的情況。對(duì)精度較高的薄壁零件，可以采用數(shù)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(zhuǎn)時(shí)，與工件接觸的瞬間，工件產(chǎn)生軟化狀態(tài)，切屑成碎屑狀，切削力迅速下降，加工變得很輕快；同時(shí)切削熱在第一時(shí)間被迅速帶走，使工件表面基本保持在室溫狀態(tài)，從而排除了因加工而導(dǎo)致的零件變形。

2.7 熱處理去應(yīng)力

薄壁結(jié)構(gòu)的零件在加工過(guò)程中，因應(yīng)力釋放極易變形，工藝方法常采用粗、精加工分開(kāi)進(jìn)行，并在粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力處理，即采用粗加工—去應(yīng)力熱處理—精加工的流程。對(duì)于變形嚴(yán)重的高精度零件，還要安排半精加工，并進(jìn)行多次去應(yīng)力處理。

另外，振動(dòng)消除應(yīng)力、深冷處理去應(yīng)力等措施，效果較好，但其應(yīng)用范圍需進(jìn)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(jìn)行工藝方法的優(yōu)化外，還需要合理選擇工件裝夾方法，減小夾緊力對(duì)變形的影響。

（1）定位心軸。當(dāng)軸類(lèi)薄壁零件以?xún)?nèi)孔定位，加工外型面及其孔系時(shí)，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(nèi)容。零件定位裝夾方式如圖3所示，采用臺(tái)階心軸，左邊一段外圓與零件內(nèi)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?shù)姆绞竭M(jìn)行加工。此定位有效地避免了徑向發(fā)生大的變形。

圖3 軸類(lèi)薄壁件的心軸定位圖

（2）軟爪。當(dāng)采用外圓定位、加工內(nèi)型面的工藝方案時(shí)，夾緊力不宜集中于工件的某一部分，應(yīng)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(pán)上安裝銅制卡爪，根據(jù)零件實(shí)際直徑鏜出扇形定位面，以增加卡爪的寬度和長(zhǎng)度。

（3）通用壓板。采用通用壓板裝夾板類(lèi)零件的裝夾要點(diǎn)，是壓板的數(shù)量和在機(jī)床工作臺(tái)面上圍繞毛坯的作用點(diǎn)分布，還有夾緊力的大小。一般地說(shuō)，壓板數(shù)量應(yīng)當(dāng)適中，作用點(diǎn)分布位置需要均勻錯(cuò)開(kāi)，壓緊時(shí)對(duì)稱(chēng)用力并夾緊力盡可能小些。如果薄壁件的長(zhǎng)、寬尺寸大，而厚度很小時(shí)，采用通用壓板壓緊后，毛坯中間部位容易產(chǎn)生翹曲變形，影響加工精度，此時(shí)需分區(qū)域加工或配以磁鐵吸附。

近年來(lái)，真空吸盤(pán)夾具逐漸進(jìn)入機(jī)械加工領(lǐng)域，真空吸盤(pán)夾緊力分布均勻、大小一致，沒(méi)有機(jī)械夾緊件，不會(huì)造成工件局部變形，十分適合裝夾薄壁件；但真空吸盤(pán)夾具需要定制系統(tǒng)，成本高，僅適用于批量生產(chǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上分析了薄壁零件的變形原因，主要為應(yīng)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(shù)，采用數(shù)控高速加工優(yōu)化工藝流程。同時(shí)，根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)，采取不同的工藝措施及手段，如工序安排、走刀路線優(yōu)化等，可有效地控制薄壁零件的變形。

[1]張耀宸.機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1993.