鈦合金高精度薄壁零件加工方法分析

王振寧

摘 要：本文以薄壁零件的分類以及自身特點(diǎn)出發(fā)，分析了薄壁零件得以廣泛應(yīng)用的原因以及在加工中可能出現(xiàn)變形的問題，并隨之對(duì)其加工方法以及工藝安排做出了優(yōu)化分析，盡可能減少工件在加工過程中出現(xiàn)變形的情況。

關(guān)鍵詞：薄壁零件；加工方法；變形

中圖分類號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

薄壁零件憑借著自身質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)在這個(gè)現(xiàn)代化的社會(huì)，特別是現(xiàn)在的航空領(lǐng)域已經(jīng)深深站穩(wěn)腳跟，并且在以后的發(fā)展中，勢必也會(huì)有它的一席之地。但是，就目前的加工工藝以及加工方法來看，因?yàn)楸”诹慵陨韯偠容^低的原因，所以工件在加工工程中出現(xiàn)變形的問題依然限制薄壁零件大規(guī)模發(fā)展的原因之一，特別是一些傳統(tǒng)的加工方法，現(xiàn)在已經(jīng)面臨淘汰，數(shù)控加工是未來工件加工的一個(gè)必然的發(fā)展趨勢。

1.薄壁零件的分類及特點(diǎn)

生活中常見的薄壁零件的形狀一般為圓環(huán)形、殼體形以及平板形，這些零件的結(jié)構(gòu)尺寸一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度，而當(dāng)其的結(jié)構(gòu)尺寸或者曲率半徑與自身厚度之比大于20的時(shí)候，我們稱這種零件為薄壁零件。薄壁零件可以按照最基本的材料屬性進(jìn)行劃分，一般有鈦合金、塑料以及一些復(fù)合材料，這些不同材料加工出的薄壁零件具有不同的性質(zhì)，可滿足各種市場的需求，而本文主要對(duì)鈦合金薄壁零件的高精度加工方法進(jìn)行分析。薄壁零件幾乎都是由薄型板和加強(qiáng)筋條構(gòu)成，這也是薄壁零件質(zhì)量輕的原因所在，通過制造不同規(guī)格的薄壁零件，可適用于各種用途。按照結(jié)構(gòu)用途可以將薄壁零件分為梁類、接頭類、壁板類以及肋類等類型，這些不同類型的零件都是具有各自獨(dú)特的形狀，完成各自的功能。但是，這種薄壁零件自身的特性使得生產(chǎn)過程較困難，因?yàn)楸”诰哂休^低的剛度，所以在加工過程中，很容易出現(xiàn)變形等情況，導(dǎo)致生產(chǎn)出的薄壁零件不符合標(biāo)準(zhǔn)。由此，可以看出，對(duì)薄壁零件的加工方法的分析以及對(duì)其加工工藝的優(yōu)化是十分有必要的，對(duì)于推進(jìn)薄壁零件加工行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

2.影響鈦合金高精度薄壁零件加工精度的因素

在實(shí)際對(duì)薄壁零件的加工過程中，影響鈦合金高精度薄壁零件加工精度的因素不計(jì)其數(shù)，其中，主要的影響因素可以參見圖1，一般來講，工件的屬性、刀具、機(jī)床這些都會(huì)對(duì)薄壁零件的加工精度造成影響。例如，如果因?yàn)楣ぜ陨淼膭偠炔蛔?，在加工過程中可能出現(xiàn)的變形就會(huì)導(dǎo)致較大的精度損失，所以，在加工過程中，盡可能減少或者避免工件出現(xiàn)變形的情況，這是提高薄壁零件加工精度最高效的方法。

2.1裝夾因素對(duì)零件變形的影響

裝夾工藝是整個(gè)薄壁零件加工工藝的核心工藝之一，不管是采用何種加工方式，裝夾工藝的好壞都將直接決定著薄壁零件的加工質(zhì)量。對(duì)于薄壁零件的加工，裝夾方案、夾緊點(diǎn)位置和夾緊力等決定著被加工零件的質(zhì)量。如果采用不合適的夾緊點(diǎn)位置或者夾緊力，可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)不同程度的變形，也會(huì)在很大程度上影響零件的加工精度。特別是在機(jī)床上進(jìn)行薄壁零件的加工時(shí)，裝夾工藝的重要性體現(xiàn)得淋漓盡致，其中，30%～50%的加工誤差都來源于裝夾工藝。此外，在薄壁零件加工過程中，夾緊力與切削力間力的波動(dòng)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生耦合作用，從而導(dǎo)致加工殘余應(yīng)力和零件內(nèi)部初始?xì)堄鄳?yīng)力重新分布，這也會(huì)對(duì)零件的加工質(zhì)量帶來影響。所以，現(xiàn)在薄壁零件的裝夾問題依然不容忽視，提升薄壁零件裝夾工藝對(duì)于防止加工過程中的零件變形具有十分重大的意義。

2.2切削力和切削熱對(duì)零件變形的影響

薄壁零件的加工工藝參數(shù)直接反映了薄壁零件與加工道具之間的關(guān)系，在薄壁零件的加工過程中，由于鈦合金薄壁零件的彈性模量較低，已經(jīng)加工完成的零件表面會(huì)產(chǎn)生較大的回彈，這樣會(huì)直接導(dǎo)致已加工表面與刀具的后刀面接觸面積增大，會(huì)對(duì)薄壁零件的加工質(zhì)量的造成非常大的影響，使得零件的加工精度急劇下降，同時(shí)，也會(huì)降低刀具耐用度。另一方面，如果切削力過大，超過了材料的彈性極限，就會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生塑性變形。而且，切削熱的存在也是影響零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵之一，切削熱是由切屑與前刀面、工件已加工表面與后刀面之間的摩擦產(chǎn)生，大量的切削熱會(huì)導(dǎo)致工件各部位的溫度不均勻，也會(huì)加劇零件的變形，從而導(dǎo)致零件加工精度下降，同時(shí)，零件的表面質(zhì)量也不能得到很好的保證。

2.3殘余應(yīng)力對(duì)變形的影響

薄壁零件中的殘余應(yīng)力主要有兩個(gè)組成部分。一部分是在薄壁零件的初始成形過程中產(chǎn)生的初始?xì)堄鄳?yīng)力，這部分殘余應(yīng)力的產(chǎn)生有多種原因，其中，對(duì)于大面積的拼接合成薄壁類零件，在加工過程中受到殘余應(yīng)力的影響更加明顯。第二部分是已加工表面的殘余應(yīng)力，這部分殘余應(yīng)力主要是刀具對(duì)工件表層金屬的機(jī)械作用、熱作用以及里層金屬的彈性恢復(fù)等各種因素綜合影響的結(jié)果。在薄壁零件的加工過程中，極有可能打破零件毛坯中殘余應(yīng)力的平衡，而這時(shí)候，零件內(nèi)部的應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，從而引起零件的變形。

3.鈦合金高精度薄壁零件加工工藝與優(yōu)化

3.1從工件的結(jié)構(gòu)上考慮

在對(duì)工件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，不僅僅要考慮工件的使用性能，還應(yīng)該考慮這種結(jié)構(gòu)對(duì)于加工過程的適應(yīng)性，不同的工件結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的加工方法是不同的，為了保證薄壁零件加工的精度，對(duì)工件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。一般來講，由鈦合金板材加工而成的薄壁零件的應(yīng)用都有較高的精度要求以及使用要求，零件的變形不僅僅會(huì)導(dǎo)致安裝等過程中出現(xiàn)困難，并且有可能不能完成設(shè)計(jì)時(shí)零件所需要完成的工作。所以，為了避免出現(xiàn)工件在加工過程中出現(xiàn)變形的情況，第一，可以考慮將工件設(shè)計(jì)成對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得工件在加工過程中各部分內(nèi)力的釋放是同步的，避免出現(xiàn)內(nèi)力分布不均等情況。第二，在薄板的設(shè)計(jì)上，盡可能保證整個(gè)薄板的厚度一致，并且在工件的一些轉(zhuǎn)角處，因?yàn)榧庸せ蛘邿崽幚恚赡艹霈F(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可以通過將轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)位圓弧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過渡，從而減小工件的變形。

3.2從工件的裝夾方面考慮

薄壁零件自身厚度較薄，僅僅具有較低的剛度，也就是說，工件抵抗彈性變形的能力較弱，所以，在工件的加工過程中，裝夾在很大程度上也會(huì)影響到工件的變形。裝夾主要是起到固定工件的作用，利用裝夾對(duì)工件進(jìn)行定位以及保證工件在加工中的穩(wěn)定性，如圖3所示。不合理的裝夾位置以及夾緊力都會(huì)造成加工精度下降，所以，在選取裝夾位置時(shí)，盡量保證各個(gè)裝夾位置成對(duì)稱關(guān)系，而夾緊力的選取可根據(jù)工件的剛度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)工件的剛度較高時(shí)，可以選擇較大的夾緊力，但是特別注意的是，但工件的剛度較低時(shí)，一定要選擇適當(dāng)?shù)膴A緊力，不然很容易造成工件在加工過程中變形。endprint

3.3從熱處理方面考慮

工件一般的熱處理是通過淬火以及人工時(shí)效處理完成的，而對(duì)工件進(jìn)行熱處理的時(shí)機(jī)對(duì)于減少工件變形來說是十分重要的。因?yàn)樵趯?duì)工件進(jìn)行熱處理的時(shí)候，工件因?yàn)樽陨淼臏囟鹊母淖儯诠ぜ?nèi)部就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力以及相變應(yīng)力，這也就是導(dǎo)致工件變形的主要原因。同時(shí)，熱處理還不能破壞工件的機(jī)械性能，所以，一般可以考慮將熱處理的時(shí)機(jī)安排在胚料粗加工前?？傊?，盡可能讓熱處理的時(shí)機(jī)合理化，這樣才能既保證工件的機(jī)械性能，又能減少工件熱處理導(dǎo)致的變形。

3.4從工藝方法和切削液考慮

在工件加工的工藝安排上，首先要根據(jù)不同種類的工件其組成結(jié)構(gòu)的不同，進(jìn)行工序的安排，其中，應(yīng)特別注意的是，對(duì)該工件在加工中容易變形的部位進(jìn)行分析，考慮是否能夠通過一些工序的調(diào)整減少工件的變形量。其次，在進(jìn)行工件的粗加工時(shí)，一開始需要預(yù)留下較大的切余量，并做好基準(zhǔn)面定位的工作，隨著工件加工的進(jìn)行，需要時(shí)刻注意對(duì)基準(zhǔn)面進(jìn)行修正，因?yàn)榧庸み^程中余量的減少必定會(huì)帶來基準(zhǔn)面的改變。切削液的選擇則主要依據(jù)加工的性質(zhì)以及加工刀具進(jìn)行選擇，根據(jù)不同的工藝安排以及刀具的使用情況進(jìn)行切削液的合理使用，有助于提升工件加工的效率。

3.5薄壁件殘余應(yīng)力的消除

薄壁零件的初始?xì)堄鄳?yīng)力一般是由毛坯材料的受熱因素決定的，而加工殘余應(yīng)力一般是在進(jìn)行薄壁零件的加工之后才能被反映出來，所以對(duì)殘余應(yīng)力的研究是值得注重的，如何預(yù)測殘余應(yīng)力的影響以及如何消除殘余應(yīng)力對(duì)零件加工質(zhì)量的影響。

雖然薄壁零件中殘余應(yīng)力的來源已經(jīng)知道，但是其對(duì)薄壁零件加工中的變形影響卻不能準(zhǔn)確確定，因?yàn)楸”诩臍堄鄳?yīng)力導(dǎo)致薄壁零件變形一般是由受熱因素和機(jī)械力因素共同作用的結(jié)果。目前，對(duì)殘余應(yīng)力的控制，一般是利用當(dāng)前比較流行的有限元分析方法，建立薄壁零件的有限元模型，并利用數(shù)值分析的方法對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行預(yù)測。此外，這個(gè)方法不僅可以模擬薄壁件變形矯正后的結(jié)果，還可以預(yù)測回彈。

目前，消除工件毛坯殘余應(yīng)力的方法包括預(yù)拉伸、振動(dòng)時(shí)效、時(shí)效退火和深冷處理。在這幾種方法中，又屬深冷處理應(yīng)用最為成功。深冷處理可以有效地降低薄壁零件中的殘余應(yīng)力，同時(shí)，該處理還能提高零件的硬度以及強(qiáng)度、提高工件的耐磨性，提高了零件的使用壽命。此外，深冷處理還能保證零件的尺寸精度、改善零件內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力分布。而要減少加工殘余應(yīng)力對(duì)零件加工變形的影響，還是要從減少切削熱的方面出發(fā)。

結(jié)語

總的來說，導(dǎo)致薄壁零件在加工中變形的因素有很多，而這些因素間又有主次之分，如何區(qū)別出關(guān)鍵的影響因素并予以有效的控制，并通過優(yōu)化改進(jìn)薄壁零件的加工工藝的方式是控制薄壁零件加工變形的有效手段。本文分析了薄壁零件加工變形的原因，并且總結(jié)了目前對(duì)薄壁零件加工變形的控制方法?？梢钥闯觯ㄟ^改變傳統(tǒng)的加工方法以及對(duì)加工工藝的優(yōu)化對(duì)工件的加工具有一定的幫助，可以在一定程度上降低工件變形，保證出產(chǎn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及使用性。但是，只有綜合考慮所有的影響因素，通過有限元分析方法，利用數(shù)值模擬的方式，對(duì)薄壁零件的變形作進(jìn)一步預(yù)測和控制，才能提高薄壁零件的加工質(zhì)量。

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