孟銳

四川航天川南火工技術(shù)有限公司 四川瀘州 646000

1 序言

薄壁件多指壁厚與輪廓尺寸之比不超過1∶20的工件，有薄壁箱型、薄壁筒型及薄板型等多種結(jié)構(gòu)，具有空間占用比較小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，被大量使用在航空航天、精密儀器等多個(gè)領(lǐng)域[1]。目前國內(nèi)外主要采用數(shù)控技術(shù)、加工中心及高速加工方法加工薄壁件，特別是高速銑削的加工方式被廣為采用，以此來滿足薄壁件的高加工精度要求，以及提升工作效率。通過加工工藝方案分析及判定，減小高速切削過程中薄壁件的變形，最終滿足工件成形技術(shù)要求。

2 影響薄壁件變形的多種因素及解決措施

（1）工件本身的結(jié)構(gòu)及材料 汽車工業(yè)及航空航天領(lǐng)域存在大量回轉(zhuǎn)類、板框類和曲面類工件，不同結(jié)構(gòu)工件的強(qiáng)度、剛度存在差異。材料不同、力學(xué)性能不同，切削加工性就會產(chǎn)生很大的差異。

（2）夾具 工裝夾具的結(jié)構(gòu)和夾緊力對薄壁零件變形影響很大。工件若受夾緊力不均，則形位會發(fā)生變化，從而影響加工精度。預(yù)防措施一是采用圓弧形卡爪，將點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，增加接觸面積；二是采用開口套，將卡爪的點(diǎn)受力轉(zhuǎn)化成開口套的面夾緊，使得受力均勻，變形均勻；三是采取可溶性膠灌注，在工件內(nèi)注入可溶性膠，之后夾緊[2]。

（3）工藝參數(shù) 根據(jù)工件圖樣選擇相應(yīng)的刀具，匹配合理的進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速及切削深度?？梢圆捎酶咚偾邢骷夹g(shù)來降低加工時(shí)的切削力，以減少變形。由于隨著吃刀量的增大，切削力增大，工件的振動也會增大，因此在加工薄壁件時(shí)，應(yīng)選擇較小的吃刀量，以減少振動，從而保證加工精度[3]。

（4）其他影響因素 主要是工件受熱變形。若冷卻性能不理想，切削過程中刀具及工件摩擦產(chǎn)生的熱量也會導(dǎo)致工件變形，從而降低加工精度。

3 工件結(jié)構(gòu)

圖1所示工件材質(zhì)為LY12CZ鋁合金，外圓直徑514mm，厚度7mm。外圓直徑大、厚度薄，屬于典型的薄壁零件。外圓上有加工環(huán)槽，且環(huán)槽尺寸較長，圓周端面上均布12個(gè)加工孔和4個(gè)支耳，工件剛性差，裝夾和加工過程中極易發(fā)生變形。同時(shí)零件的平面度有較高的要求，溝槽及外表面的表面粗糙度要求也較高，使得工件加工難度較大，如加工工藝路線選擇不當(dāng)，則加工精度無法控制，工件質(zhì)量得不到保證。

圖1 工件

4 工藝分析

（1）結(jié)構(gòu)分析 工件為環(huán)形零件，結(jié)構(gòu)整體規(guī)則，圓周上小孔均勻分布，支耳對稱分布，溝槽沿圓周均勻分布，無異形面，無復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工件結(jié)構(gòu)規(guī)整簡單。

（2）材料分析 零件材料牌號為LY12CZ，屬于含鎂銅基鋁合金，材料強(qiáng)度較高，在退火、淬火狀態(tài)下有較好的性能，切削性能尚可。

（3）精度要求 該工件重點(diǎn)要求平面度≤0.05mm，要求環(huán)形槽表面粗糙度值Ra=1.6μm，其他表面粗糙度值Ra=3.2μm，其余皆為自由公差，精度要求并不苛刻。

（4）成形分析 工件為環(huán)形回轉(zhuǎn)類零件，可采取車削和銑削方式達(dá)到成形零件的結(jié)構(gòu)及精度要求，重點(diǎn)使用設(shè)備為數(shù)控車床和加工中心。

（5）工藝難點(diǎn) 工件本身結(jié)構(gòu)簡單，精度較易控制。由于工件壁薄，外圓尺寸大（直徑達(dá)514mm），加工過程中極易產(chǎn)生變形，如不采取可靠的變形控制措施，則容易出現(xiàn)不合格品，所以工藝成形的難點(diǎn)在于變形的控制?？赏ㄟ^控制工件的變形，在工裝和加工設(shè)備的保證下，加工出合格成品。

5 工藝方案

5.1 方案一

主要工序如下。

（1）數(shù)控車一 來料質(zhì)檢后，脹夾零件內(nèi)孔，下料。

（2）數(shù)控車二 時(shí)效處理后，端面見光，保證平面度及外圓公差。

（3）加工中心銑削一 車削好的端面及外圓定位，粗開內(nèi)腔及支耳圓周正面，預(yù)留余量，并保證總厚度。

（4）加工中心銑削二 內(nèi)腔輪廓、厚度及外圓依次加工到位后，銑削環(huán)槽及外圓倒角到位，以外圓定位，再加工支耳螺紋到位。

（5）四軸加工中心銑削 外圓分中找正，圓周內(nèi)孔及環(huán)槽清根到位。

（6）鉗工序 倒鈍銳邊，去毛刺。

5.2 方案二

主要工序如下。

（1）數(shù)控車一 來料質(zhì)檢后，脹夾零件內(nèi)孔，下料。

（2）數(shù)控車二 時(shí)效處理后，端面見光，保證平面度及外圓公差。

（3）加工中心銑削一 車削好的端面及外圓定位，粗開內(nèi)腔及支耳圓周正面開粗，預(yù)留余量，并保證總厚度。加工完成后，每件用三坐標(biāo)測量儀標(biāo)記零件變形位置和變形量。

（4）加工中心銑削二 時(shí)效處理后，正面銑預(yù)留余量，并保證平面度。

（5）加工中心銑削三 以銑好平面定位，正面銑內(nèi)腔及工藝支耳，預(yù)留余量，翻面開粗內(nèi)腔及工藝支耳，預(yù)留余量，加工后用三坐標(biāo)測量儀重點(diǎn)檢測外圓及平面度，標(biāo)記零件變形位置，若變形量大于要求，則全批次加工本序。

（6）加工中心銑削四 外圓定位，銑削內(nèi)腔工藝支耳、外圓及表面到余量尺寸，翻面正面內(nèi)腔開粗及工藝支耳加工到余量尺寸，加工后用三坐標(biāo)測量儀重點(diǎn)檢測外圓及平面度，標(biāo)記零件變形位置，若變形量大于要求，則全批次加工本序。

（7）線切割 線切割去除兩處工藝凸臺，與內(nèi)腔相接平。

（8）加工中心銑削五 外圓定位，銑削內(nèi)腔輪廓、工藝支耳、外圓及表面，預(yù)留余量，用三坐標(biāo)測量儀重點(diǎn)檢測外圓及平面度，標(biāo)記零件變形位置，根據(jù)變形量確認(rèn)是否增加熱處理工序。

（9）加工中心銑削六 外圓定位，先加工零件內(nèi)腔輪廓到位，換壓板加工外圓和厚度到位，T形刀加工圓周半環(huán)槽到位，外圓倒角加工到位，正面支耳加工到位，并進(jìn)行首件檢測。

（10）四軸加工中心銑削 外圓分中找正，圓周內(nèi)孔及環(huán)槽清根到位。

（11）鉗工序 倒鈍銳邊，去毛刺。

6 工藝方案比較

方案一下料后，一次性時(shí)效處理，端面見光，精度一次性到位，并以此端面為基準(zhǔn)，加工后續(xù)外圓和內(nèi)腔，通過粗、精兩次加工達(dá)到工件成形。該方案工藝簡單，能保證端面的平面度，加工速度快，但加工過程中工件變形不易控制，無過程監(jiān)控，容易出現(xiàn)質(zhì)量瑕疵，達(dá)不到尺寸及精度要求。

方案二前三道工序與方案一相同，第五道工序外圓及內(nèi)腔開粗后，保留加工余量，并用三坐標(biāo)測量儀檢測工件變形量，通過時(shí)效處理、預(yù)留富余加工余量反復(fù)加工，以及使用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行外圓和平面度的過程檢測，確保工件成形合格率。

方案一工藝流程簡單，加工成本低，加工效率高，但工件變形過程控制手段缺失，易產(chǎn)生因工件變形而引起的不合格品；方案二工藝流程科學(xué)合理，采取變形控制措施，嚴(yán)格控制工件加工過程中的變形，有效解決了因工件變形而引起的產(chǎn)品不良問題，但是加工成本高。

由于方案二從根本上解決了工件變形、質(zhì)量問題，優(yōu)于方案一，因此采用方案二進(jìn)行該薄壁件的加工更符合技術(shù)要求。

7 過程檢驗(yàn)控制

加工過程中，對工件加工工序的過程檢驗(yàn)是必不可少的程序，需要使用專業(yè)的檢具和量具來完成零件尺寸和精度的檢測。方案一沒有采取相應(yīng)的檢測手段來測量工件的變形，主要依靠主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷；方案二重點(diǎn)通過三坐標(biāo)測量儀來檢測工件的重要變形數(shù)據(jù)指標(biāo)，使用客觀科學(xué)的數(shù)據(jù)說話，對變形的位置、變形量進(jìn)行精確掌握和分析，為判定下一步工序操作提供有力證據(jù)，從而可采取相應(yīng)的措施，消除變形引起的偏差，加工出合格的零件。

8 變形的控制

從影響薄壁件變形因素的角度入手，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行變形控制。

（1）裝夾方式 使用軟卡爪脹夾內(nèi)孔，避免車削過程中工件變形帶來的尺寸偏差，同時(shí)在工件內(nèi)腔左右兩處留工藝凸臺（見圖2），凸臺形狀與支耳一致，便于零件裝夾，減少零件變形。

圖2 工藝凸臺

（2）降低工件殘余應(yīng)力 LY12CZ鋁合金材料在加工過程中會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力釋放，從而產(chǎn)生材料變形。由于采用退火處理方式難以控制變形，因此采用在200℃保溫12h、空冷的時(shí)效處理方式，消除加工殘余應(yīng)力，減少工件變形。

（3）使用合理的工藝參數(shù) 高速切削過程中，為減小切削力，減小工件變形，盡量使用小的軸向切削深度，可以選擇較大的徑向切削深度，甚至可以大于刀具的半徑。徑向切削深度大于刀具半徑時(shí)，隨著切削用量增加，加工效率提高，而切削力最大值卻保持在一個(gè)穩(wěn)定值。切削速度的變化并不會影響薄壁件的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，在主軸轉(zhuǎn)速允許的前提下，可以盡量選擇大的切削速度。

（4）其他因素的控制 薄壁件變形不僅受切削工藝參數(shù)的影響，還受走刀路徑、機(jī)械振動和冷卻方式等綜合因素的影響。在走刀路徑上，應(yīng)以盡量減少工件最小剛度部位上的作用力為原則，可以采用對稱加工或階梯式加工的路徑；在切削液方面，應(yīng)加強(qiáng)加工中心的日常檢查，查看冷卻循環(huán)系統(tǒng)是否正常工作，切削液使用是否得當(dāng)，參數(shù)設(shè)置是否合理。從而降低工件加工變形，保護(hù)刀具，延長刀具的使用壽命。

9 結(jié)束語

薄壁件的加工是公認(rèn)的難題，且薄壁件有向極薄化方向發(fā)展的趨勢，加工過程中主要是防止薄壁件發(fā)生變形而影響加工精度。通過制定合理的加工工藝路線，改善裝夾夾具，選擇科學(xué)的走刀路徑及工藝參數(shù)，可以有效地降低薄壁件的變形，保證工件加工精度，提升加工效率。