一種薄板零件的變形控制方法

王珂

摘 要： 電子艙母板架長厚比39：1，寬厚比26：1，材料去除率大于78%，在加工中變形量最高2.1mm，通過減小材料內(nèi)應(yīng)力、改進切削加工方法，優(yōu)化裝夾方式等措施，最終解決了零件變形過大的問題，將零件變形量控制在了公差范圍內(nèi)，保證了零件加工合格率。

關(guān)鍵詞： 去應(yīng)力；輕切削；優(yōu)化裝夾方法；提高效率

1 零件結(jié)構(gòu)分析

電子艙母版架材料為2A12的鋁合金板材，厚度10，原材料狀態(tài)為T4，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，零件長寬為196.55×130，厚度5，在型腔一側(cè)上表面有一個凸臺，其長寬高為80×2×1.5，在型腔底部為不同規(guī)格的腰形槽，最長腰形槽距側(cè)邊20。

如圖1所示，電子艙母板架結(jié)構(gòu)上易引起零件變形的幾個特點：

1.零件長厚比39：1，寬厚比26：1，屬于薄板易變形零件；

2.零件上表面的非對稱凸臺結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致零件單面加工余量大幅度增加，增大了零件變形風(fēng)險，增強了零件變形的程度；

3.零件上中間大腰形槽處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱處，剛度較低，加工中應(yīng)力重新分布后，易形成較大變形；

4.零件從毛坯狀態(tài)到最后加工完成，材料去除率大于78%，較高的材料去除率含有較大的變形風(fēng)險。

2 零件工藝過程

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合生產(chǎn)資源，擬定電子艙母板架加工工藝過程如下：

5工序銑零件四方，10工序銑兩個大面，粗去余量，建立數(shù)銑工序基準(zhǔn)。10工序銑大面要求兩面均勻反復(fù)去余量，每次切削深度不大于0.4，保證零件大面平面度0.15以內(nèi)的同時，降低切削應(yīng)力對零件變形的影響，利于后續(xù)數(shù)銑工序變形量的控制。

在15工序數(shù)銑中，電子艙母板架需要倒壓板完成加工，根據(jù)零件特點，可以合理利用腰形槽位置作為工藝孔。零件加工余量較大，數(shù)銑需要分多層切削，加工中，為控制變形量，切削量要小，每層切削深度不宜大于0.5。

20工序鉗按要求攻絲去毛刺，修銼局部圓角；25工序按要求檢驗；30工序按要求進行表面處理。

3 零件加工中遇到的問題

上述電子艙母板架的加工工藝過程已盡量考慮了控制變形量，但在一個批次零件的加工中，變形量仍遠遠超出了預(yù)期，如圖3所示：

在數(shù)銑內(nèi)容加工完成，裝夾夾緊釋放后，零件以中間最大腰形槽為中心在長度方向上彎曲，經(jīng)檢測，平面度達到2.1，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整切削參數(shù)及裝夾方法后加工完成的零件最小平面度仍達到1.5，而合格零件平面度要求0.3以內(nèi)。

4 零件變形原因及解決措施

材料變形是零件能切削加工的基礎(chǔ)，零件變形不可避免，需要合理利用變形進行切削加工，同時把變形量控制在合理范圍內(nèi)。

零件加工變形原因

一般來說，鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形的原因有以下幾種：

1.零件結(jié)構(gòu)因素的影響：零件結(jié)構(gòu)形成的較大的切削余量、較低的結(jié)構(gòu)剛度導(dǎo)致零件容易變形，零件結(jié)構(gòu)上的不對稱也是變形產(chǎn)生的原因；

2.零件原材料因素的影響：原材料初始殘余應(yīng)力在加工后釋放及材料應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致零件加工后變形；

3.零件定位裝夾方式的影響：不合理的定位裝夾方式；不合理的夾緊位置，不合適的夾緊力等都會引起不同程度的裝夾變形，同時不合理的裝夾方式?jīng)]有起到“釋放變形”或者“抵抗變形”的作用，加劇了零件的加工變形；

4.零件切削過程因素的影響：切削過程中切削力和切削熱產(chǎn)生的應(yīng)力和熱應(yīng)力作用導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形。

零件變形解決措施

根據(jù)電子艙母板架的結(jié)構(gòu)特點和變形情況，通過分析零件加工的整個過程，梳理出幾條改善電子艙母板架變形量的措施：減小或消除材料應(yīng)力；優(yōu)化切削參數(shù)；提高零件加工剛性；改進裝夾壓緊方法。

上述措施組合實施，是一個改進、優(yōu)化、再優(yōu)化的過程，具體內(nèi)容如下：

消除應(yīng)力和優(yōu)化切削參數(shù)

電子艙母板架原材料為T4狀態(tài)的鋁板，加工變形量大，因此特別申請了將T4狀態(tài)鋁板更改為T351消除應(yīng)力狀態(tài)鋁板的工藝試驗計劃，在該工藝試驗中，其他加工條件和原T4狀態(tài)鋁板相同，按照小切深大進給的輕切削方式，更改了數(shù)控加工工序的刀具和切削參數(shù)，修改的參數(shù)如表1所示：

上述工藝試驗加工完成的電子艙母板架，經(jīng)過校形，平面度能控制在0.3的合格線以內(nèi)，但零件的四個邊角，因曲翹變形，厚度尺寸不一致，局部超差，需要在其他方面繼續(xù)改進。

提高零件剛性改進裝夾壓緊方法

在上述以消除應(yīng)力狀態(tài)的T351鋁板做原材料的工藝試驗中，在優(yōu)化切削參數(shù)后，零件變形量大幅度減小，但仍沒有達到合格要求，結(jié)合電子艙母板架在加工后是以中間最大腰形槽為中心在長度方向上彎曲變形的現(xiàn)象，制定了相應(yīng)改進措施，具體如圖4所示：

電子艙母板架中間變形量最大，為增加零件此處剛性以抵抗變形，中間腰形槽倒壓板前不加工，并利用腰形槽位置增加兩個壓緊點，按照此方案加工完成的零件，變形量進一步減小，整體平面度在0.2-0.28，在合格范圍內(nèi)，但零件四個角變形導(dǎo)致厚度尺寸局部超差的情況沒有明顯改善，針對這個情況，制定進一步的改進措施，如圖5所示：

零件四個角變形大，分析原因為利用兩側(cè)腰形槽壓緊加工零件時，壓緊點離四個角較遠，抑制四個角位置變形的效果不好，改進措施如下：增加零件毛坯長度，作用是將四個角變形大的區(qū)域外移出零件，并將原來兩側(cè)腰形槽處的四個壓緊點移到零件長度方向外側(cè)，倒壓板完成所有加工內(nèi)容，最后去除零件長度方向余量。按照上述措施，最后加工完成的零件，變形量控制在了理想范圍內(nèi)，平面度0.1-0.15，四角厚度尺寸滿足0.1的公差要求，實際公差一致性在0.07以內(nèi)。

5 提高加工效率

通過上述一系列改進措施，電子艙母板架變形問題得到有效控制，平面度在0.12左右，而零件平面度合格要求是0.3以內(nèi)，給實現(xiàn)加工效率提升留下較大改進空間，具體優(yōu)化措施如下：

措施一：細化工藝，如圖6所示，一是在5工序加工零件毛坯四方時，將寬度尺寸加工至最終尺寸130，并將原尺寸公差130±0.2壓縮為130±0.05，以方便數(shù)銑工序的定位，保證一個批次零件加工過程的一致性；二是增加一道銑工工序（15工序）先加工工藝孔，減少數(shù)銑工序倒壓板銑工藝孔的準(zhǔn)備時間。

通過上述三個措施，加工效率提升明顯，同時加工完成的電子艙母板架變形量變化不大，平面度最大0.17，仍遠低于0.3，零件其他尺寸均合格。

6 總結(jié)

電子艙母板架經(jīng)過試制批、工藝試驗批及后續(xù)一個批次的持續(xù)改進及加工驗證，零件變形量得到良好控制，尺寸合格，證明采取的改進優(yōu)化措施是有效的。改進措施在改善加工質(zhì)量的同時提高了加工效率，實現(xiàn)質(zhì)量和效率的雙提升。

參考文獻

[1] 孟少農(nóng).機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996..

[2] 付嘉寶.2024鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形控制[D] 南京：南京航空航天大學(xué)，2015.

[3] 徐飛飛.整體薄壁結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力預(yù)測與銑削加工變形研究[D] 大連：大連理工大學(xué)，2010.

[4] 劉暢 鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削加工性研究現(xiàn)狀[J].科技視界，2011.