薄壁零件的變形分析和加工精度控制

宋育紅

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

薄壁零件具有質(zhì)量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已日益廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械領(lǐng)域特別是航空工業(yè)領(lǐng)域。但薄壁零件主要由側(cè)壁和腹板組成，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，剛度較低，加工工藝性差，容易產(chǎn)生加工變形，加工工藝復(fù)雜，加工精度難以保證，直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量。尤其是傳統(tǒng)的加工方法是采用專機(jī)為主組成的剛性生產(chǎn)線加工，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。因此，如何提高薄壁零件的加工精度已是業(yè)界越來越關(guān)心的問題。

1 影響薄壁零件加工精度的因素

影響薄壁零件加工精度的因素如圖1所示。

圖1 影響薄壁零件加工精度的因素

如圖1所示，影響薄壁零件加工精度的因素很多，但在實(shí)際加工薄壁零件時，工件因剛度不足引起的加工變形是影響尺寸精度的主要矛盾［1］。如何減少加工中的變形從而提高薄壁零件的加工質(zhì)量就顯得尤為重要。

2 防止和減少薄壁零件變形的工藝措施

2.1 從工件的結(jié)構(gòu)上考慮

不同的結(jié)構(gòu)決定了不同的工藝方法和工藝流程;不同的結(jié)構(gòu)蘊(yùn)涵了不同的加工變形量。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到工件加工的幾何精度和使用性能，是首先要考慮的問題。由于超薄零件一般都是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，重要性和使用性能要求較高，往往由于工件的變形影響正常的使用，給裝配、協(xié)調(diào)構(gòu)成了較多的困難。為了有效較少或消除變形，首先應(yīng)盡量對稱布置，這樣會使工件內(nèi)應(yīng)力釋放同步而且變化一致，不易引起變形;其次，在設(shè)計時盡量減少工件結(jié)構(gòu)型面厚度上的突變，同時避免轉(zhuǎn)角處清根，選取較大的圓弧過渡，這樣可以減少工件在加工和熱處理時產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而減少工件變形;再次，在工件上有不對稱的切口、通槽的部位，設(shè)計應(yīng)綜合在合適的地方增加加強(qiáng)筋或添加工藝構(gòu)形來減少變形。

2.2 從熱處理方面考慮

依據(jù)薄壁零件的結(jié)構(gòu)特征，熱處理時會使工件產(chǎn)生溫度應(yīng)力和相變應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力易于引起工件的變形。這種工件熱處理工藝為淬火和人工時效。為了減少或消除熱處理引起的工件變形對工件尺寸和幾何精度的影響，將熱處理安排在坯料粗加工前進(jìn)行，這樣有利于減少由于加工后壁厚不同產(chǎn)生的溫度梯度引起的溫度應(yīng)力。因此，在保證工件機(jī)械性能的前提下，應(yīng)盡可能合理安排熱處理工序。

2.3 從工件的裝夾方面考慮

對于薄壁零件而言，裝夾也是一個特別應(yīng)重視的方面。如圖2所示，因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。特別是在精加工時，由于工件壁厚變薄，其抵抗變形的能力減弱，夾緊的好壞直接影響最終的幾何精度、尺寸和變形的大小。以下從3方面進(jìn)行討論:

(1)定位基準(zhǔn)［2］的選取。在選取基準(zhǔn)時，應(yīng)盡可能地選取面積較大、精度較好、強(qiáng)度較高，便于裝夾的平面，對于圓弧工件，還需做一定的輔助工裝來完成。同時采用真空平臺或電控永磁夾具定位工件，這樣可使基準(zhǔn)面與夾具平面完全契合，而且不再需要外力夾緊工件，有利于減少變形。

圖2 受力變形

(2)裝夾位置的選取。在裝夾工件時，應(yīng)仔細(xì)研究圖樣，根據(jù)各位置的強(qiáng)度、剛度及合理性來選取，并且裝夾點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱選取，使工件受力平衡。這樣可以避免由于選取不當(dāng)造成工件自身的變形以及影響工件內(nèi)應(yīng)力的均衡釋放造成的變形。

(3)夾緊力的選取。工件在裝夾時，應(yīng)使用合適的夾緊力并且應(yīng)使各裝夾點(diǎn)的夾緊力均衡。在粗加工時，由于工件的剛度較高，加工速度快，吃刀深，可以使用較大的夾緊力;在精加工時，內(nèi)應(yīng)力釋放較充分，許多型面已接近最終尺寸，工件剛度低，余量少，吃刀量少，應(yīng)采用較小的夾緊力，這樣就可以保證加工出質(zhì)量合格、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。例如精車薄壁零件時，刀柄的剛度要求高，刃口要鋒利，可采用橫刃精車刀，刀具材料選用YT30硬質(zhì)合金，車刀的前刀面、后道面及刀尖圓弧用油石研磨，其粗糙度Ra0.4。精車刀幾何參數(shù)見表1，硬質(zhì)合金精車刀工作圖見圖3。

表1 精車刀幾何形狀選用值［3］

圖3 硬質(zhì)合金精車刀工作圖

2.4 從工藝方法和切削液考慮

薄壁零件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔較深，在工藝安排時應(yīng)進(jìn)行全面分析，把握主要的變形部位，確定合適、有效的加工方法。尤其要考慮到變形會使粗加工的基準(zhǔn)面發(fā)生變化，直接影響加工的質(zhì)量。同時在粗加工時，定位基準(zhǔn)面要留取足夠的余量，隨著加工余量不斷被去除，應(yīng)修正基準(zhǔn)面，保證定位的準(zhǔn)確。在一般情況下，工藝上應(yīng)采取分散的加工方式，即粗加工去除大余量，并有效釋放內(nèi)應(yīng)力，使變形充分。必要時進(jìn)行校正或時效處理來消除或減少變形，消除對精加工的影響。精加工采用中速、分層的小吃刀、小進(jìn)給的加工方式，減少工件變形的可能性。

在薄壁零件加工時，切削液是必不可少的，應(yīng)根據(jù)加工材料、加工性質(zhì)和刀具材料等具體情況選用適當(dāng)?shù)那邢饕?，才會更有利于加工的進(jìn)行。

3 先進(jìn)制造技術(shù)在薄壁零件加工中的應(yīng)用

3.1 高速切削技術(shù)［4］在薄壁零件加工中的應(yīng)用

高速切削技術(shù)采用超硬材料的刀具和模具，利用高精度、高自動化和高柔性的制造設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效率、高柔性和高質(zhì)量的切削加工。由于它具有高主軸轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給速度、低切削力和高切削速度等特點(diǎn)，能有效縮短加工時間并降低加工成本，加工精度高且表面質(zhì)量好，符合薄壁零件生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，因而應(yīng)用廣泛。

如圖4所示薄壁箱體零件，其主要加工過程是平面的加工和孔的加工。一般來說，保證平面的加工精度比保證孔的加工精度容易。因此，對薄壁箱體零件來說，高速加工過程中的主要問題是保證φ25孔的尺寸精度和位置精度，處理好φ25孔和平面A之間的平行度要求。在加工中，平面采用高速銑削加工，孔采用高速鏜削加工。

圖4 薄壁箱體零件結(jié)構(gòu)簡圖

為了比較高速切削加工與傳統(tǒng)切削加工的效果，以圖4所示箱體零件為例，進(jìn)行切削加工實(shí)驗(yàn)。表2給出了采用傳統(tǒng)銑削和高速銑削精加工箱體φ25 mm孔的外凸臺面的一些實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)，表3給出了采用傳統(tǒng)鏜削和高速鏜削精鏜φ25 mm孔時的一些實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)。

表2 傳統(tǒng)銑削和高速銑削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

表3 傳統(tǒng)鏜削與高速鏜削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

在實(shí)驗(yàn)過程中，抽樣檢查了10個樣品。由表2可以看出:高速加工比常規(guī)加工的效率提高了約5倍，而質(zhì)量也優(yōu)于常規(guī)加工。

由表3可以看出:與常規(guī)加工方法相比，薄壁箱體的高速切削加工具有加工效率高、工件表面質(zhì)量好等明顯優(yōu)勢。

3.2 有限元仿真法［5］在薄壁零件加工中的應(yīng)用

有限元仿真是預(yù)測薄壁零件變形規(guī)律的重要手段之一，通過建立零件加工的有限元模型，預(yù)測薄壁件的變形規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)工人選擇合理的加工用量。有限元仿真流程圖如圖5所示。

圖5 有限元仿真流程圖

通過有限元分析，可以指導(dǎo)選擇合理的加工用量，在精加工時，如果在數(shù)控編程時讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加一個偏擺，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量，則可基本消除讓刀誤差。從而保證薄壁件的壁厚精度，提高加工的質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

以上對薄壁零件的分析和實(shí)踐證明，采用一定的工藝措施可以有效解決薄壁零件變形及加工精度不高的問題，但其有一定的局限性。隨著我國制造業(yè)集成化的不斷推進(jìn)及先進(jìn)制造技術(shù)在加工業(yè)的使用，利用NC機(jī)床，通過數(shù)控補(bǔ)償，在精加工中一次走刀即可保證薄壁零件壁厚精度，從而達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)加工薄壁零件的目的。

［1］許景芳.薄壁零件的車削工藝［J］.機(jī)械，2007(s1):3-4.

［2］連蘇寧.機(jī)械制造技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］艾興.高速切削加工技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［5］袁亞湘，孫文瑜.最優(yōu)化理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2003:92.