大型環(huán)狀薄壁鋁合金零件加工變形控制探討

摘要：薄壁零件的加工一直是機(jī)械加工中的難題，而大型薄壁結(jié)構(gòu)件其加工難度更大。本文針對如何保證該產(chǎn)品的機(jī)加精度及設(shè)計要求，提出了控制加工變形的應(yīng)對措施，取得了不錯的效果。

關(guān)鍵詞：環(huán)狀薄壁件；走刀策略；工藝塊；變形控制

1 引言

隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展，鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)零件由于其質(zhì)量輕，耐腐蝕性好、比強(qiáng)度、比剛度較高以及成本優(yōu)廉等一系列優(yōu)點，因此在航空航天領(lǐng)域被廣泛使用。由于該類薄壁結(jié)構(gòu)件外廓尺寸相對截面尺寸較大，相對剛度低，加工余量大，加工工藝性差，在切削力、切削熱、切削顫振等因素影響下，零件極易產(chǎn)生變形，加工精度難以保證成為了該類零件加工的技術(shù)難題。由于變形無法避免和徹底消除，唯一途徑就是通過采取各種手段去減輕變形影響，從而使零件加工滿足設(shè)計要求。本文以某大型環(huán)狀薄壁鋁合金零件的加工為例，來探討該類零件的機(jī)械加工。

2 零件結(jié)構(gòu)特點與難點分析

某大型環(huán)狀薄壁零件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。外徑為Φ2100mm，內(nèi)徑為Φ1956mm，壁厚僅為（4±0.15）mm，環(huán)形跨度為150°，筋板高度為40mm，槽深36mm，筋板上有大小不等的孔。該零件毛坯采用7050鋁合金軋制板材，毛坯狀態(tài)需要3至4個人才能移動，完工后1個人一個指頭便可輕松將其擰起，加工中要去除掉大部分材料，產(chǎn)生大量切削熱導(dǎo)致熱變形。在試件銑削過程中發(fā)現(xiàn)：零件易受切削力和切削振動的影響，產(chǎn)生加工變形和切削顫振，加工精度和表面質(zhì)量無法有效保證；卸除裝夾并充分冷卻后，出現(xiàn)零件兩端向內(nèi)收縮近0.8mm～1mm、外圓（R1050邊）向上扭曲的現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸精度及筋板與腹板的位置精度超差。工件尺寸大，剛性差，目前可借鑒的數(shù)控銑削技術(shù)手段缺乏。

通過對試件銑削過程及其變形規(guī)律進(jìn)行實際摸索、分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)由于零件尺寸過大、壁薄、剛性差，切削力、切削熱及切削振動的綜合影響導(dǎo)致加工變形加劇，毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力對零件在卸除裝夾并充分冷卻后的變形具有不可忽視的影響。毛坯的初始?xì)堄鄳?yīng)力經(jīng)過熱處理及時效處理后無法有效釋放，零件材料的去除使零件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新耦合分布達(dá)到新的平衡，隨著走刀路徑的不同，零件內(nèi)的初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放順序也不同，從而造成零件加工后產(chǎn)生變形的程度不一。針對零件加工變形的主要因素，結(jié)合加工實際情況，加工中利用可靠的定位進(jìn)行工件裝夾，最大限度地減少零件在加工過程中自身剛度和工藝剛度的降低，并且根據(jù)毛坯材料的初始?xì)堄鄳?yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行下料、計算各個尺寸的切削余量、優(yōu)化走刀策略，來減小初始?xì)堄鄳?yīng)力對零件的整體變形的影響。

3 零件材料特性及其切削加工性能分析

零件材料為7050鋁合金，毛坯采用該鋁合金的預(yù)拉伸板。7050鋁合金是一種高強(qiáng)度鋁合金。其彈性模量是70Mpa～73MPa，遠(yuǎn)低于鋼，由于其彈性模量小，屈服強(qiáng)度大，加工后極易產(chǎn)生回彈現(xiàn)象。特別是大型薄壁件，縱橫比很大的零件，切削后的回彈和讓刀現(xiàn)象更加嚴(yán)重。在加工過程中，為了控制加工變形，應(yīng)盡量降低銑削力和裝夾變形，且還要保證在最大銑削力下穩(wěn)定加工，以保障零件的尺寸。

4 確定工裝夾具、合適刀具以及理想切削參數(shù)控制零件的變形

根據(jù)該產(chǎn)品直徑大、縱橫比大、壁薄的特性，粗加工時，以其底平面為基準(zhǔn)平面，采用壓板裝夾；在精加工時，將零件安裝在自制工裝上，以工件的內(nèi)槽曲面進(jìn)行定位，用壓板壓緊槽腹板，使零件在加工槽口時產(chǎn)生的變形得以校正，更好地保障了零件的尺寸要求。

針對該零件壁薄、加工量大和材料的加工特性，采用鋁合金加工專用刀具，刀具材料為YG6，刃長42mm，螺旋角為45°，且前角后角選用較大。粗加工時選用直徑為12mm的兩刃鍵槽銑刀加工外形、直徑為10mm的兩刃鍵槽銑刀來加工槽口；精加工時為了使刀具受力均衡、提高表面質(zhì)量，選用直徑為8mm的4刃立銑刀。

5 工藝路線的規(guī)劃

在加工過程中，毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、走刀策略、工件裝夾、切削力、熱變形及切削振動的影響使零件加工精度降低。故在設(shè)計加工工藝路線時，需要綜合考慮以上因素。在加工零件過程中，首先遇到的難題是如何消除毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力及減少零件剛度的降低。為此，利用毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的分布規(guī)律，計算各個尺寸的加工余量，細(xì)化走刀策略，使工件內(nèi)的初始?xì)堄鄳?yīng)力有序釋放，從而零件的變形量控制在精度范圍內(nèi)。

為最大限度地減少零件剛度的降低，減小加工變形和加工顫振，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點和立式數(shù)控銑床的特點，在加工過程中合理設(shè)置工藝塊，采用壓板多點對稱裝夾方式，防止加工過程中的振動及變形。

由于材料切除量較大，通過多次反復(fù)分析研究，確定了數(shù)銑加工各工步順序，即粗加工—振動時效—半精加工—熱時效—精加工的工藝路線并嚴(yán)格按照其順序進(jìn)行加工，盡量消除以上因素對零件加工精度的影響。

6 走刀策略及冷卻方式的選擇

設(shè)計合理的走刀路徑，可以有效地減小零件在初始?xì)堄鄳?yīng)力與切削力、切削熱產(chǎn)生的新應(yīng)力的耦合作用下產(chǎn)生的彈塑性變形。通過多次試驗論證，加工時采用順銑方式。精加工槽壁及筋板時，采用分布環(huán)切走刀形式，即在切削過程中，對稱切除工件材料，使加工應(yīng)力均勻，有效打破零件變形一邊倒的趨勢。

冷卻液為水溶劑切削液，冷卻時采用機(jī)床主軸的冷卻系統(tǒng)與刀座的冷卻系統(tǒng)相配合，主軸冷卻系統(tǒng)對準(zhǔn)零件，刀座冷卻系統(tǒng)對準(zhǔn)刀具切削刃，使加工部位得到快速充分冷卻，以減小銑削時銑削熱對零件的變形影響，冷卻液對零件冷卻時切忌時有時無，以避免刀具出現(xiàn)冷熱交變而產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。

7 結(jié)束語

本文從零件的材料特性及結(jié)構(gòu)特點入手，提出了合理安排工藝流程、調(diào)整工件裝夾方案、優(yōu)化走刀策略與加工順序、選取合理的刀具及切削參數(shù)等減輕變形及零件剛度的應(yīng)對措施，解決了該零件機(jī)械加工變形、尺寸精度超差等技術(shù)難題，為今后同類零件的加工提供了寶貴的經(jīng)驗借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]《機(jī)械加工工藝手冊》孟少農(nóng) 主編，1998年3月出版，機(jī)械工業(yè)出版社

[2]《現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊》浦林詳 主編，2010年2月出版，機(jī)械工業(yè)出版社

作者簡介：王德仙（1973-），女，民族：漢，籍貫：貴州省遵義市，當(dāng)前職務(wù)：工藝師，當(dāng)前職稱：中級工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：機(jī)械加工。