薄壁鑄造鋁合金殼體加工變形控制研究

孔祥茹 肖卉 華峰

摘要：根據(jù)薄壁殼體整體結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其加工工藝進(jìn)行分析，確定加工工藝方案;基于整體工藝方案，充分考慮零件加工過程中裝夾定位，以最大程度減少零件加工過程中的變形問題;通過選取合適的加工刀具及加工參數(shù)，減少零件加工過程中因切削而導(dǎo)致的變形問題;其他控制措施還包括采用增加輔助支撐等方式，減少零件加工過程中的震顫問題，從而控制零件變形。

關(guān)鍵詞：薄壁殼體;裝夾定位;刀具;加工參數(shù)

0? ? 引言

隨著我國航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，航空類材料的高效加工已成為目前重要的關(guān)注點(diǎn)，而鑄造鋁合金具有良好的鑄造及加工性能，可以制成形狀復(fù)雜的零件，具有節(jié)約金屬、降低成本、縮短加工周期等優(yōu)點(diǎn)，目前在航空航天領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，薄壁鑄造鋁合金殼體更是在其中充當(dāng)著重要角色。重量輕是薄壁鑄造鋁合金殼體一項(xiàng)重大優(yōu)勢(shì)，但其在加工中也極易產(chǎn)生變形，從而影響與其他零件之間的配合精度，故薄壁殼體加工的關(guān)鍵在于控制產(chǎn)品變形。

本文逐一探討了薄壁鑄造鋁合金殼體在加工過程中產(chǎn)生變形的原因，并通過實(shí)例分析，提出了相應(yīng)的控制辦法。

1? ? 薄壁鑄造鋁合金殼體變形影響因素

1.1? ? 裝夾定位方式

薄壁鑄造鋁合金殼體類零件因壁厚較薄，故零件剛性較差，若為防止零件在加工過程中移動(dòng)而裝夾力過大，則零件加工后尺寸合格，但在裝夾松開后，會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象，從而導(dǎo)致零件變形。

1.2? ? 切削熱

加工過程中，刀具切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生切削熱，若切削熱不能及時(shí)散除，將對(duì)薄壁鑄造鋁合金殼體類零件產(chǎn)生變形影響。

1.3? ? 切削力

金屬切削過程中，若切削量過大，則會(huì)產(chǎn)生較大切削力，對(duì)薄壁鑄造鋁合金殼體類零件造成較大沖擊，從而產(chǎn)生產(chǎn)品變形。

1.4? ? 熱處理

大部分薄壁鑄造鋁合金殼體類零件在工藝過程中會(huì)穿插進(jìn)行熱處理工序，熱處理需對(duì)零件進(jìn)行高溫處理，將導(dǎo)致零件變軟，若薄壁鋁合金殼體結(jié)構(gòu)異形（個(gè)別管口延伸），則熱處理過程會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生變形影響。

1.5? ? 焊接

少部分薄壁鑄造鋁合金殼體類零件在工藝過程中會(huì)穿插進(jìn)行焊接工序，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致產(chǎn)品焊縫周圍因局部高溫而發(fā)生變形。

2? ? 薄壁鑄造鋁合金殼體變形控制方法

2.1? ? 裝夾方式

加工過程中的裝夾方式、夾緊力大小、夾緊力方向?qū)α慵冃斡兄匾绊?，在零件加工過程中應(yīng)增大夾具與零件之間的接觸面積，從而將夾緊力更多地分散在與零件的接觸面上，減少單點(diǎn)承受的夾緊力;當(dāng)零件輪廓尺寸較大時(shí)，應(yīng)避免徑向裝夾，采取軸向裝夾，可更好地分散夾緊力，從而減少因裝夾而產(chǎn)生的變形。

2.2? ? 刀具選擇

銑削過程中，在保證裝刀長度的同時(shí)應(yīng)盡可能保證刀具最大切削強(qiáng)度，減少因刀具切削強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致的加工過程振刀，從而影響零件尺寸及表面粗糙度。

當(dāng)切削方式為刀具底面切削時(shí)，應(yīng)選用非對(duì)稱刀具，非對(duì)稱刀具在切削過程中因刀刃不是均勻分布在刀具半徑圓周范圍內(nèi)，故切削時(shí)刀具無固定切削頻率，可減少刀具與零件發(fā)生共振而導(dǎo)致的零件變形。

在保證刀具強(qiáng)度足夠的前提下，應(yīng)盡量選擇直徑偏小的刀具，以減小切削過程中刀具與零件的接觸面積，從而減少因切削力和切削熱而導(dǎo)致的零件變形。

當(dāng)零件精度要求很高時(shí)，應(yīng)采用中心出水刀具，可有效降低切削過程中產(chǎn)生的切削熱對(duì)產(chǎn)品的影響，減小產(chǎn)品變形。

2.3? ? 切削參數(shù)選擇

針對(duì)薄壁零件剛性差、變形大的特點(diǎn)，車削時(shí)根據(jù)同種材料的切削深度和切削量，均選取最小值。切削速度取正常值時(shí)，所產(chǎn)生的切削溫度對(duì)薄壁零件的變形有較大影響，故在車削時(shí)必須充分使用冷卻潤滑液，以降低切削溫度對(duì)薄壁零件加工精度的影響。

銑削時(shí)，應(yīng)選取小切削量、快速進(jìn)給的高速切削方式，減少因切削量過大，與切削速度不匹配而導(dǎo)致的零件變形。

2.4? ? 增加輔助支撐

在產(chǎn)品加工中，應(yīng)在產(chǎn)品懸空部位增加輔助支撐，輔助支撐可增加薄壁殼體類零件在切削過程中的剛性，減小因懸空而產(chǎn)生的振動(dòng)，從而減少零件變形。

2.5? ? 采用專用夾具

在特殊加工過程中，應(yīng)針對(duì)易變形部位制作專用夾具，固定易變形部位，保證位置關(guān)系，從而控制特殊過程中產(chǎn)生的變形。

2.6? ? 其他措施

在零件加工前，可采用對(duì)薄壁殼體內(nèi)腔進(jìn)行灌蠟等方式，填充薄壁殼體類零件內(nèi)腔，增強(qiáng)零件加工過程中的剛性，從而減少零件變形。

3? ? 實(shí)例分析

3.1? ? 零件介紹

該零件材料為ZL101，零件外協(xié)尺寸為?500 mm×350 mm，零件內(nèi)部完全為空腔狀態(tài)，最薄處壁厚只有2 mm，除過回轉(zhuǎn)中心兩管口外，還有兩處延伸管口，零件整體剛性較差，加工中極易產(chǎn)生變形（圖1）。

3.2? ? 加工過程介紹

該產(chǎn)品需要加工的空間位置較多，為保證相關(guān)位置尺寸，將此產(chǎn)品固定在五軸設(shè)備上加工，以保證產(chǎn)品各空間位置能一次定位裝夾完成，從而提高產(chǎn)品的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品的加工性能。

3.3? ? 裝夾方式

該零件為典型薄壁鑄造鋁合金類零件，外形尺寸較大，壁厚較薄，故在實(shí)際加工過程中采用軸向壓緊及輔助支撐定位的裝夾方式，以減少因裝夾而導(dǎo)致的零件變形（圖2）。

3.4? ? 刀具選用

該零件外形和內(nèi)部有很多需要加工的地方，各加工尺寸精度較高，為此專門定制了R成型刀、倒角刀、T型刀、成型T銑刀、加長刀桿。專用刀具的使用降低了加工的難度，提高了加工的精度，有效減少了零件因刀具而產(chǎn)生的變形。

常規(guī)選用刀具：?16銑刀、?10銑刀、?62/?52.6鏜刀及相應(yīng)中心鉆、鉆頭。

3.5? ? 加工參數(shù)選用

?16銑刀粗加工參數(shù)：S2000、F200，切深0.5 mm;

?10銑刀精加工參數(shù)：S3000、F1000，切深0.1 mm;

?62、?52.6鏜刀加工參數(shù)：S250、F10。

4? ? 結(jié)語

薄壁零件加工一直是困擾機(jī)械加工行業(yè)的一個(gè)難題，本文通過對(duì)薄壁鑄造殼體工藝加工方案進(jìn)行研究，分析了薄壁鑄造殼體加工變形的影響因素，提出了防止零件變形的一些控制方法，旨在利用工藝方法減少零件變形，從而提升產(chǎn)品加工質(zhì)量，滿足客戶使用需求。

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收稿日期：2020-03-16

作者簡(jiǎn)介：孔祥茹（1989—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機(jī)械制造及CAD/CAM數(shù)字化加工技術(shù)。