雷曉燕

航空產(chǎn)品中常使用高強度鋁合金航空薄壁結(jié)構(gòu)，但其在銑削加工中極易出現(xiàn)變形問題，增加制造難度，本文對造成薄壁件結(jié)構(gòu)變形因素進行分析，提出預(yù)防與控制變形工藝措施。

近年來，航天工業(yè)發(fā)展迅速，對航空航天的產(chǎn)品設(shè)計理念產(chǎn)生極大影響。零件設(shè)計逐漸向復(fù)雜化、整體化與薄壁化發(fā)展，同時要求其的整體結(jié)構(gòu)強度提高，裝配環(huán)節(jié)簡化，飛機自重降低。然而，高強度鋁合金航空薄壁件的銑削加工問題使航空制造業(yè)面臨新挑戰(zhàn)，該構(gòu)件剛性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且若材料的去除量大時無法控制加工尺寸與變形的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的一次性合格率。此為我國航空航天的生產(chǎn)領(lǐng)域中一個瓶頸，而且，高強度鋁合金航空薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形控制成為一個有待解決的問題。

1造成薄壁結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形因素分析

在銑削加工中，造成造成薄壁結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形因素較多，如工藝參數(shù)、夾具、機床、刀具、工件等，主要因素為材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、工裝夾具裝夾力與加工過程切削力。

1.1 材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力

在無外力荷載的作用下，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，毛坯為不變形狀態(tài)。當薄壁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工過程中殘余應(yīng)力毛坯材料一旦被去除，釋放殘余應(yīng)力，使原有平衡狀態(tài)打破，在加工完成以后，重新分布應(yīng)力，新平衡狀態(tài)產(chǎn)生，造成加工變形。在薄壁結(jié)構(gòu)的加工過程中具有較高的材料去除量，高達90%，這就使得釋放殘余應(yīng)力所造成的加工變形十分明顯。

1.2 加工過程的切削力

加工板框類薄壁結(jié)構(gòu)件方式以銑削為主，材料在銑刀的擠壓作用下，剪力失效，去除材料基體，使得工件和銑刀的前后刀面間由強烈變化的切削力。薄壁結(jié)構(gòu)件的剛度降低，在切削力作用下局部彈塑性變形，工件表面質(zhì)量與加工精度降低。此外，銑削時工件加工表面出現(xiàn)塑形變形，且與其他部位彈性變形發(fā)生互相牽制，并有新加工應(yīng)力形成，材料內(nèi)部的原有應(yīng)力分布狀態(tài)進一步改變，最終造成加工變形。

1.3 工裝夾具的裝夾力

薄壁結(jié)構(gòu)件在銑削加工中，裝夾方案對加工變形產(chǎn)生較大影響。有研究數(shù)據(jù)表明，薄壁結(jié)構(gòu)加工誤差的20%為裝夾與定位產(chǎn)生的。薄壁結(jié)構(gòu)件具有較高的加工精度要求，若機床上工件定位選擇不當?shù)幕鶞拭?，或者夾緊力位置與大小不合適，均能夠造成定位誤差，使精度降低。此外，工件夾緊力與切削力之間出現(xiàn)耦合效應(yīng)，對加工應(yīng)力產(chǎn)生與殘余應(yīng)力重新分布產(chǎn)生影響，造成薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形復(fù)雜。

2減小薄壁零件加工變形的策略

薄壁結(jié)構(gòu)件具有較弱的局部剛性，加工工程極易受到切削熱與切削力的影響。因此為了使薄壁零件的加工變形得到控制，其主要方法為零件局部的剛度與切削力之間關(guān)系的正確處理。薄壁零件的局部加工變形減小主要途徑為參與應(yīng)力消除與切削力降低。在數(shù)控加工的實際應(yīng)用于理論研究均證實，告訴切割的切削力較小，在加工過程中刀變形的效應(yīng)小。此外，切削熱多部分被切削帶走，其零件的溫度變化小，工件發(fā)生熱變形較小，零件形位精度與尺寸精度更容易控制。使用高速切削對薄壁零件進行控制變形是以零件剩余剛度與切削力的協(xié)調(diào)為基本原則，加工參數(shù)優(yōu)化，并使切削力控制適當，使零件的剩余剛力保持最大，與切削力抗衡，最終實現(xiàn)薄壁零件控制加工變形目的。在加工過程中，薄壁結(jié)構(gòu)件具有較高的材料去除率，且截面的形狀較為復(fù)雜，隨著材料的去除，毛坯內(nèi)應(yīng)力逐步釋放，不均勻的內(nèi)應(yīng)力造成零件整體變形。對于毛坯應(yīng)當欲釋放內(nèi)應(yīng)力，運用適當時效優(yōu)化設(shè)置與處理方法將工藝槽釋放，此為內(nèi)應(yīng)力消除直接有效途徑。

零件的加工過程受到工裝夾具限制，出現(xiàn)不均勻的夾力分布，工件在卸夾具之前未發(fā)生明顯輪廓變形，在零件加工中，應(yīng)力平衡恢復(fù)受到夾具制約，使得工件的形狀處于不穩(wěn)定狀態(tài)。但是零件剛性的薄弱中心區(qū)域受到加工應(yīng)力的重新平衡，極易出現(xiàn)塑形變形，因此應(yīng)當使裝夾方式更加優(yōu)化合理，從而消除零件受到裝夾力而產(chǎn)生的變形。

3薄壁零件加工變形控制工藝

以高速切削技術(shù)將切削力降低為基礎(chǔ)，不斷使加工參數(shù)優(yōu)化，以及刀誤差不暢優(yōu)化，從而使零件變形得以控制。為了使工件與刀具之間的互相受力作用所產(chǎn)生的加工精度誤差消除，可使用刀具在補償工藝中偏擺切過。在加工工件之前，利用薄壁結(jié)構(gòu)件的切削受力有限元進行銑削工程中工件變形量與變形趨勢進行模擬預(yù)測，結(jié)合預(yù)測變形量偏擺刀具，并在數(shù)控程序中錄入偏擺量，使實際切割中的刀具與工件偏離方向偏向，將刀所帶來的不均勻壁厚現(xiàn)象克服，不暢加工誤差。

薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形是受到材料內(nèi)應(yīng)力而引發(fā)，將應(yīng)力分布均勻毛坯作為首選，有助于應(yīng)力測量，并掌握內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)律，采用仿真模擬手段優(yōu)化工藝線路。在時效處理毛坯材料時，還應(yīng)當對應(yīng)力釋放合理設(shè)置，從而使應(yīng)力消除，但由于時效方式不同，其實用性與效果也不相同。經(jīng)過對比可見，高低溫的時效處理不僅擁有自然時效的穩(wěn)定性尺寸，還可以傳統(tǒng)時效處理，使應(yīng)力峰值降低，最終為應(yīng)力分布，一定程度的使材料機械性能提高。高低溫時效作為新型時效方式，在薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形控制中提供新工藝。在加工過程中，應(yīng)力釋放槽的設(shè)置位置應(yīng)為應(yīng)力集中處，如：緣條易彎曲零件的應(yīng)力極易產(chǎn)生部位為肋板邊緣，其梁肋間極易出現(xiàn)翹曲，該工藝具有簡單可行的操作，可操作性強。防變形裝夾技術(shù)的使用是薄壁結(jié)構(gòu)件的高效加工實現(xiàn)關(guān)鍵之處，其中防變形裝夾技術(shù)關(guān)鍵之處為裝夾時保持零件的工作臺面與基準面致密貼合、自然貼合，在零件的基準面上由多點均勻分布，并受力緊固。特別是框架類、薄壁類的零件，使用傳統(tǒng)工件進行四周預(yù)留工藝的壓板裝夾方式，而零件本身具有較差的剛性，工件各點的不均勻受力，在加工后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力極易使工件出現(xiàn)翹曲變形。此外，機床與工件系統(tǒng)也具有較差剛性，極易出現(xiàn)顫震，使工件表面精度受到影響。針對薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點，確保工件的加工過程有持續(xù)均勻的裝夾力，應(yīng)當采用真空輔助裝夾方式。此裝夾方法具有恒定、持續(xù)的吸附壓力，牢牢固定工件于夾具上，使加工工件的柔弱剛性區(qū)域與工作臺面緊貼，使得加工后的柔弱剛性區(qū)域翹曲變形有關(guān)問題消除。此裝夾方式以真空吸盤體為主要執(zhí)行元件，上面密封環(huán)槽分布以加工工件形貌特征進行確定，同時，此裝置省去壓板間螺紋與裝夾配合時間，大量實踐證實，真空輔助裝夾方式可使產(chǎn)品質(zhì)量有效提高，促進生產(chǎn)效能充分發(fā)揮。

4 結(jié)語

為使現(xiàn)代航空工業(yè)需求得到滿足，航空薄壁件逐漸向復(fù)雜化、整體化與薄壁化方向發(fā)展，將其銑削加工中變形問題解決對航空產(chǎn)品質(zhì)量與加工效率提高意義重大。本研究在對該變形原因進行分析后得出，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力、加工過程的切削力、工裝夾具的裝夾力，并以工藝為著重點提出解決措施，最終實現(xiàn)航空薄件的高精度與高效加工。

資助項目：該論文受學院科研項目《高強度鋁合金切削加工仿真及試驗驗證研究》項目資金資助，批準號：NJDZJ1501。

（作者單位：內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學院）