王熙杰

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006）

1 概述

鋁合金材料因其韌性好、強度高及質(zhì)量輕的特點廣泛應(yīng)用于航空航天與民用工業(yè)領(lǐng)域，但也因其彈性模量小、屈服比大的特性，較易在加工中產(chǎn)生變形。

因此本文以鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)為研究對象，分別針對某下殼體的薄壁深腔結(jié)構(gòu)進行了工藝性分析，針對長懸臂薄壁結(jié)構(gòu)，提出了一種將非均布余量作為半精加工毛坯的余量堆積法，并通過有限元仿真進行實例驗證，證明了以上觀點。

2 存在的問題及應(yīng)用

針對小尺寸薄壁件，通過增大粗加工余量預(yù)留量，使用分層切削的加工策略，可以有效減小加工變形，保證薄壁件側(cè)壁表面質(zhì)量。但若薄壁件尺寸較大，則必須要考慮在熱處理殘余應(yīng)力的作用，對于尺寸越大的薄壁件，其余量總體積越大，則產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就愈大。

因此，為了在保證殘余應(yīng)力最小化的情況下，獲得較好的加工剛性，本文提出了一種針對大尺寸薄壁件的余量堆積法，即將均勻分布在壁厚方向的余量按越靠近支點側(cè)壁余量越厚的規(guī)則進行重新排布，亟待解決較好的加工質(zhì)量。

3 薄壁零件受載情況下受力分析

3.1 切削力的確定

2A12 鋁合金材料側(cè)壁銑削的銑削力預(yù)測公式[1-4]如下所示公式（1）。根據(jù)表1 中常用薄壁鋁合金切削經(jīng)驗參數(shù)，經(jīng)過計算以確定銑削力的三向分力及其總切削力F。

表1 常用薄壁鋁合金切削經(jīng)驗參數(shù)

根據(jù)計算結(jié)果，在薄壁件加工時，總切削力的變化范圍約為5-10N。為了簡化研究對象，因此受力分析模型使用沿垂直于薄壁方向，且作用于直線上的均布載荷作為約束條件進行分析，并按均布載荷的極限值F1=5N、F2=10N進行研究。

3.2 簡化模型的確定

定義了一個長×寬為110mm×81.5mm，厚2mm 的薄板進行金絲的力學(xué)分析，底部為懸臂支撐，左側(cè)施加固定支撐，右側(cè)懸空，如圖1 所示。定義其材料為2A12 鋁合金，其作為加工的目標(biāo)零件，命名為C1。

圖1 懸臂薄板C1 外形圖

對于第一種余量預(yù)留方案，即采用階梯式均勻分布的單側(cè)余量結(jié)構(gòu)，即在厚2mm 的薄板單側(cè)，增加四段截面為（1×a）mm 的長方形余量，其中a 分別為81.5mm、60mm、40mm、20mm 并依次遞減，將該結(jié)構(gòu)命名為C2，如圖2（a）所示。

第二種余量預(yù)留方案為沿截面的均勻余量，即在厚2mm的薄板單側(cè)，增加截面為（2.5×81.5）mm的長方形余量，并保證余量的總體積與方案一致，將其命名為C3，如圖2（b）所示。

圖2 懸臂薄板的兩種余量預(yù)留方案

3.3 受載情況變形分析

使用NX 高級仿真模塊對圖1 的A 點處底面施加固定約束，為了對兩種結(jié)構(gòu)最大受載情況進行分析，因此對遠離支點的B 點分別施加作用于直線上的均布載荷F1=5N、F2=10N，分別對C2、C3 進行載荷作用下的變形仿真分析，約束條件如圖3 所示，仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 兩種不同結(jié)構(gòu)懸臂薄板沿受載方向最大位移及最大應(yīng)力匯總表

圖3 懸臂薄板的約束條件

通過以上分析，對于懸臂薄板的兩種余量預(yù)留方案，在保證切削總余量體積不變的情況下，在載荷為F=5N 及F=10N 時，沿受載方向的最大位移分別能減少約29.36%與29.68%；沿受載方向的最大應(yīng)力能減少15.72%。因此通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過改變余量分布的結(jié)構(gòu)，采用階梯式的余量堆積方法，能夠有效減少切削加工時受銑削力作用產(chǎn)生的變形及應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.4 余量堆積參數(shù)的判定方法

在使用了余量堆積法的情況下，需要對余量堆積的層數(shù)、每層厚度進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以避免出現(xiàn)余量底層在壁厚方向延展過多或余量總體積過大的情況。

為了簡化計算，假設(shè)某截面為長方形的薄壁簡支板長為L，其經(jīng)驗余量厚度為δ，因此其總余量截面厚度為L×δ，如圖4（a）所示。為了保證在余量堆積的情況下余量的總體積與經(jīng)驗余量厚度保持一致，假設(shè)余量堆積的每層厚度δ0及每層高度L/n 均保持相同，則有下文公式（2），簡化后有每層厚度δ0與δ、n 的關(guān)系式為下文公式（3）。

圖4 余量堆積法的參數(shù)簡化模型

因此，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，通過設(shè)定經(jīng)驗余量厚度δ 及需要的堆積層數(shù)n，綜合考慮得到的每層厚度δ0及側(cè)壁最大壁厚n×δ0，可得出合適的堆積余量值。

4 基于余量堆積法的零件加工

4.1 零件結(jié)構(gòu)分析

下殼體零件的外形為無蓋開放式盒體式結(jié)構(gòu)，由三面2mm 厚的側(cè)板，一面3mm 側(cè)板及3mm 厚的底板組成，其最大包絡(luò)外形尺寸為（122×106×85）mm。

由于其內(nèi)部安裝渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，因此對于相對兩薄壁上的同心孔有Φ0.01 的同軸度要求，又因該零件余量去除率高，薄壁結(jié)構(gòu)勢必會引起因側(cè)壁的彎曲收縮而導(dǎo)致孔同軸度超差，因此控制側(cè)壁的變形量是該零件加工的關(guān)鍵。

對于該零件，依然采用3R 夾具的裝夾方式，以底部定位片作為固定基準(zhǔn)以達到機床基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移。因此該零件在四軸機床上加工四側(cè)壁，而內(nèi)腔結(jié)構(gòu)在三軸機床上加工。

為保證材料殘余應(yīng)力釋放，因此在銑床粗精加工之間使用退火處理以消除應(yīng)力。

4.2 基于零件結(jié)構(gòu)的余量堆積參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)公式（3）中的判定方法，在粗加工時在加工余量1mm 的基礎(chǔ)上，增加余量厚度，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置為δ=2.5mm。由于側(cè)壁高度較大，出于簡化編程刀路的目的，設(shè)置層數(shù)n=4，因此根據(jù)公式（3）有：

因此主機側(cè)壁余量堆積參數(shù)如表3 所示。

表3 主機殼余量堆積設(shè)置參數(shù)

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)為參考，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)對每層高度進行調(diào)整。以異型薄壁的兩個臺階平面、及外側(cè)壁安裝搭子的平面，作為余量堆積法四層的高度平面，如圖5 所示。

圖5 針對側(cè)壁的余量堆積法參數(shù)法

4.3 切削參數(shù)設(shè)置

由于零件為薄壁結(jié)構(gòu)，且軸向方向高度較高，為了保證刀具較大裝長情況下仍有較好的加工剛性，因此對第一至第四層分布采用Φ4、Φ6、Φ8、Φ8R1 的銑刀進行精加工。

對于側(cè)壁的側(cè)吃刀量控制，為了減少變形，使用分層切削的方式，沿側(cè)壁方向使用兩次走刀，考慮到不同刀具的接刀要求，第二次均采用0.15 的側(cè)吃刀量，保證表面質(zhì)量。實際切削參數(shù)如表4 所示。

表4 主機殼薄體側(cè)壁切削參數(shù)

根據(jù)工藝優(yōu)化策略，總結(jié)的主機殼機加工工藝如表5所示。加工后外形如圖6 所示，經(jīng)三坐標(biāo)測量，兩渦輪蝸桿安裝孔滿足Φ0.01 同軸度的要求，因此基于余量堆積法的加工工藝能夠滿足大尺寸薄壁鋁合金特征的加工要求。

圖6 主機殼精加工后外形

5 結(jié)論

本文以某下殼體的薄壁深腔結(jié)構(gòu)為例，針對兩種開放式薄壁鋁合金零件，利用有限元仿真軟件進行分析對比，提出了余量堆積法以滿足加工過程中殘余應(yīng)力的消除與加工剛性的平衡，解決了薄壁鋁合金的機加工難題，能夠有效提升表面質(zhì)量及加工精度，對于鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)的加工生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。