高强度铝合金薄壁件铣削加工变形控制的研究

雷晓燕

航空产品中常使用高强度铝合金航空薄壁结构，但其在铣削加工中极易出现变形问题，增加制造难度，本文对造成薄壁件结构变形因素进行分析，提出预防与控制变形工艺措施。

近年来，航天工业发展迅速，对航空航天的产品设计理念产生极大影响。零件设计逐渐向复杂化、整体化与薄壁化发展，同时要求其的整体结构强度提高，装配环节简化，飞机自重降低。然而，高强度铝合金航空薄壁件的铣削加工问题使航空制造业面临新挑战，该构件刚性差、结构复杂，且若材料的去除量大时无法控制加工尺寸与变形的稳定性，降低产品的一次性合格率。此为我国航空航天的生产领域中一个瓶颈，而且，高强度铝合金航空薄壁结构件的加工变形控制成为一个有待解决的问题。

1造成薄壁结构件发生变形因素分析

在铣削加工中，造成造成薄壁结构件发生变形因素较多，如工艺参数、夹具、机床、刀具、工件等，主要因素为材料内部残余应力、工装夹具装夹力与加工过程切削力。

1.1 材料内部的残余应力

在无外力荷载的作用下，材料内部残余应力处于平衡状态，毛坯为不变形状态。当薄壁的结构构件加工过程中残余应力毛坯材料一旦被去除，释放残余应力，使原有平衡状态打破，在加工完成以后，重新分布应力，新平衡状态产生，造成加工变形。在薄壁结构的加工过程中具有较高的材料去除量，高达90%，这就使得释放残余应力所造成的加工变形十分明显。

1.2 加工过程的切削力

加工板框类薄壁结构件方式以铣削为主，材料在铣刀的挤压作用下，剪力失效，去除材料基体，使得工件和铣刀的前后刀面间由强烈变化的切削力。薄壁结构件的刚度降低，在切削力作用下局部弹塑性变形，工件表面质量与加工精度降低。此外，铣削时工件加工表面出现塑形变形，且与其他部位弹性变形发生互相牵制，并有新加工应力形成，材料内部的原有应力分布状态进一步改变，最终造成加工变形。

1.3 工装夹具的装夹力

薄壁结构件在铣削加工中，装夹方案对加工变形产生较大影响。有研究数据表明，薄壁结构加工误差的20%为装夹与定位产生的。薄壁结构件具有较高的加工精度要求，若机床上工件定位选择不当的基准面，或者夹紧力位置与大小不合适，均能够造成定位误差，使精度降低。此外，工件夹紧力与切削力之间出现耦合效应，对加工应力产生与残余应力重新分布产生影响，造成薄壁结构件加工变形复杂。

2减小薄壁零件加工变形的策略

薄壁结构件具有较弱的局部刚性，加工工程极易受到切削热与切削力的影响。因此为了使薄壁零件的加工变形得到控制，其主要方法为零件局部的刚度与切削力之间关系的正确处理。薄壁零件的局部加工变形减小主要途径为参与应力消除与切削力降低。在数控加工的实际应用于理论研究均证实，告诉切割的切削力较小，在加工过程中刀变形的效应小。此外，切削热多部分被切削带走，其零件的温度变化小，工件发生热变形较小，零件形位精度与尺寸精度更容易控制。使用高速切削对薄壁零件进行控制变形是以零件剩余刚度与切削力的协调为基本原则，加工参数优化，并使切削力控制适当，使零件的剩余刚力保持最大，与切削力抗衡，最终实现薄壁零件控制加工变形目的。在加工过程中，薄壁结构件具有较高的材料去除率，且截面的形状较为复杂，随着材料的去除，毛坯內应力逐步释放，不均匀的内应力造成零件整体变形。对于毛坯应当欲释放内应力，运用适当时效优化设置与处理方法将工艺槽释放，此为内应力消除直接有效途径。

零件的加工过程受到工装夹具限制，出现不均匀的夹力分布，工件在卸夹具之前未发生明显轮廓变形，在零件加工中，应力平衡恢复受到夹具制约，使得工件的形状处于不稳定状态。但是零件刚性的薄弱中心区域受到加工应力的重新平衡，极易出现塑形变形，因此应当使装夹方式更加优化合理，从而消除零件受到装夹力而产生的变形。

3薄壁零件加工变形控制工艺

以高速切削技术将切削力降低为基础，不断使加工参数优化，以及刀误差不畅优化，从而使零件变形得以控制。为了使工件与刀具之间的互相受力作用所产生的加工精度误差消除，可使用刀具在补偿工艺中偏摆切过。在加工工件之前，利用薄壁结构件的切削受力有限元进行铣削工程中工件变形量与变形趋势进行模拟预测，结合预测变形量偏摆刀具，并在数控程序中录入偏摆量，使实际切割中的刀具与工件偏离方向偏向，将刀所带来的不均匀壁厚现象克服，不畅加工误差。

薄壁结构件的加工变形是受到材料内应力而引发，将应力分布均匀毛坯作为首选，有助于应力测量，并掌握内应力的分布规律，采用仿真模拟手段优化工艺线路。在时效处理毛坯材料时，还应当对应力释放合理设置，从而使应力消除，但由于时效方式不同，其实用性与效果也不相同。经过对比可见，高低温的时效处理不仅拥有自然时效的稳定性尺寸，还可以传统时效处理，使应力峰值降低，最终为应力分布，一定程度的使材料机械性能提高。高低温时效作为新型时效方式，在薄壁结构件的加工变形控制中提供新工艺。在加工过程中，应力释放槽的设置位置应为应力集中处，如：缘条易弯曲零件的应力极易产生部位为肋板边缘，其梁肋间极易出现翘曲，该工艺具有简单可行的操作，可操作性强。防变形装夹技术的使用是薄壁结构件的高效加工实现关键之处，其中防变形装夹技术关键之处为装夹时保持零件的工作台面与基准面致密贴合、自然贴合，在零件的基准面上由多点均匀分布，并受力紧固。特别是框架类、薄壁类的零件，使用传统工件进行四周预留工艺的压板装夹方式，而零件本身具有较差的刚性，工件各点的不均匀受力，在加工后所产生的残余应力极易使工件出现翘曲变形。此外，机床与工件系统也具有较差刚性，极易出现颤震，使工件表面精度受到影响。针对薄壁零件的结构特点，确保工件的加工过程有持续均匀的装夹力，应当采用真空辅助装夹方式。此装夹方法具有恒定、持续的吸附压力，牢牢固定工件于夹具上，使加工工件的柔弱刚性区域与工作台面紧贴，使得加工后的柔弱刚性区域翘曲变形有关问题消除。此装夹方式以真空吸盘体为主要执行元件，上面密封环槽分布以加工工件形貌特征进行确定，同时，此装置省去压板间螺纹与装夹配合时间，大量实践证实，真空辅助装夹方式可使产品质量有效提高，促进生产效能充分发挥。

4 结语

为使现代航空工业需求得到满足，航空薄壁件逐渐向复杂化、整体化与薄壁化方向发展，将其铣削加工中变形问题解决对航空产品质量与加工效率提高意义重大。本研究在对该变形原因进行分析后得出，材料内部的残余应力、加工过程的切削力、工装夹具的装夹力，并以工艺为着重点提出解决措施，最终实现航空薄件的高精度与高效加工。

资助项目：该论文受学院科研项目《高强度铝合金切削加工仿真及试验验证研究》项目资金资助，批准号：NJDZJ1501。

（作者单位：内蒙古机电职业技术学院）