鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形分析與控制

張起宏，李夢(mèng)龍

中航光電科技股份有限公司 河南洛陽 471003

1 序言

鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工一般是采取將板料以“雕刻”的形式進(jìn)行切削，原材料去除量通常在70%以上，余量較大。對(duì)于薄壁工件，粗加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的切削力和較多的熱量，工件會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變形和熱變形。同時(shí)，在加工過程中，由于原材料被部分去除，毛坯原始?xì)堄鄳?yīng)力均衡受到破壞，工件自身應(yīng)力重新分布，形成新的均衡，以至于造成工件變形。因此，抑制和降低數(shù)控加工中的變形是確保加工精度的關(guān)鍵所在。

在工件加工過程中，自身剛性低、加工時(shí)受力變形、裝夾變形，以及撤除壓緊力時(shí)因回彈而造成的工件變形等，都會(huì)影響零件的加工精度。有的工件由于變形量較大，所以直接報(bào)廢。影響工件加工精度的因素主要有：工藝方案、定位和裝夾方式、加工用刀具、加工順序以及走刀軌跡等。

2 工藝方案

工藝方案是否合理最能反映在加工過程的穩(wěn)定性和加工精度上。

針對(duì)有必要進(jìn)行兩面加工的結(jié)構(gòu)件，一般有兩種工藝：一種是一面進(jìn)行粗、精加工合格后，再加工另一面；另一種是先進(jìn)行雙面粗加工，然后進(jìn)行雙面精加工，粗加工時(shí)去除大量材料，釋放殘余應(yīng)力，然后進(jìn)行精加工，從而減少工件變形。

對(duì)于工件外形尺寸較小且自身剛性高的工件，一般采用第一種加工方式，工件變形對(duì)加工過程的影響不大，不影響最終的零件質(zhì)量，而且可降低反復(fù)裝夾次數(shù)，縮短加工時(shí)間；對(duì)于工件外形尺寸大的薄壁類工件，若采用第一種加工方式，由于在加工完一面時(shí)，工件變形嚴(yán)重，容易出現(xiàn)翹曲變形，此時(shí)另一面還沒有加工，使用矯正步驟降低變形量很不容易實(shí)現(xiàn)，而且會(huì)使另一面加工時(shí)厚度不一，表面質(zhì)量較差，因此薄壁類工件更適于采用第二種加工方式。

此外，工藝方案設(shè)計(jì)要考慮到加工過程中的剛性改變，最好能提高工件在加工過程中的剛性，這就要求確定好外形和內(nèi)腔的加工順序。當(dāng)工件自身剛性高時(shí)，第一步不論是加工外形，還是加工內(nèi)腔，加工過程中剛性改變不大，不影響加工精度。而對(duì)于需要雙面加工的薄壁工件，通常在粗加工后，應(yīng)先精加工內(nèi)腔，外形留有余量，這樣工件的剛性才比較穩(wěn)定，不易出現(xiàn)加工變形。最后再精加工外形。

3 定位和裝夾方式

3.1 定位方式

一面雙孔定位是加工中使用最多的一種定位方式，其定位精確，定位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝工件快捷。圓柱銷定位結(jié)構(gòu)如圖1所示，圓柱銷1限定X、Y方向的自由度，圓柱銷2限定X方向移動(dòng)和Z方向旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)銷共同限定了X方向平移的自由度，出現(xiàn)了重復(fù)定位。由于定位用孔的中心距和孔的大小會(huì)有加工誤差，所以同一批工件會(huì)出現(xiàn)圓柱銷干涉，導(dǎo)致出現(xiàn)工件不能順利安裝的現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于粗加工工件變形量大，所以使用這樣的定位方法，加工后頻繁出現(xiàn)圓柱銷無法取出的現(xiàn)象，而強(qiáng)制取出后，二次裝夾和首次裝夾的誤差大，甚至無法使用先前的孔定位，致使工件隨后的加工無法進(jìn)行。

圖1 圓柱銷定位結(jié)構(gòu)

為了防止X方向平移的多余定位，并完全考慮工件變形的影響，可采用在機(jī)床工作臺(tái)上安裝定位塊的方法來處理。圖2所示為兩定位塊方式定位結(jié)構(gòu)，定位塊1可以限定Y方向平移，定位塊2可以限定X方向平移，定位塊1和定位塊2同時(shí)限定了Z方向的旋轉(zhuǎn)。這種定位方式能夠快速定位，并且能確保工件重復(fù)定位的精準(zhǔn)性和可靠性，降低了加工過程中工件變形的影響，即使粗加工的變形量較大，也不影響工件的取放。

圖2 兩定位塊方式定位結(jié)構(gòu)

除了上述定位方式外，目前還有采取專用工裝定位的，即在工裝上加工出與零件外形一樣的型腔，單邊余量0.05～0.1mm，深度為零件厚度的一半。圖3所示為定位工裝定位結(jié)構(gòu)，加工時(shí)將工件放入工裝內(nèi)，能夠快速定位。由于工裝定位用的型腔與零件外形一致，所以保證了重復(fù)定位的準(zhǔn)確性。

圖3 定位工裝定位結(jié)構(gòu)

3.2 裝夾方式

壁厚較薄的工件在加工過程中，其剛性大小會(huì)影響加工精度。剛性不僅與工件自身結(jié)構(gòu)相關(guān)，還與夾持工藝方式緊密相關(guān)。好的夾持工藝不僅能提升加工過程中的剛性，還能降低裝夾變形。

圖4 所示為壓板和螺栓壓緊方式，是在裝夾中使用最多的一種方式。在目前的加工模式下，雖然工件上提前準(zhǔn)備了壓緊的平臺(tái)位置，但是由于操作原因，使得在出現(xiàn)壓塊的裝夾位置，每次壓塊的伸出長(zhǎng)度、壓塊的數(shù)量都不相同，所以造成壓緊力的大小也不一樣，以致同一個(gè)工件出現(xiàn)不同的加工精度，且相差較大。為了防止壓塊壓緊位置不統(tǒng)一，可采定位工裝加壓板壓緊方式（見圖5）彌補(bǔ)，使用前述專用工裝，工裝上裝有壓塊，通過螺釘壓緊工件，與此同時(shí)，需要注重壓緊部位數(shù)量的分配。若工件壓緊部位設(shè)置得較少，則壓緊工件區(qū)域所需的壓緊力較大，會(huì)加大工件的變形，影響加工精度。在確保工件有充足壓緊力的前提下，應(yīng)增多壓緊部位數(shù)量，以降低每一個(gè)壓緊部位上的壓緊力，確保在整個(gè)工件上有均勻的壓緊力。另外，壓緊部位最好選在剛性較強(qiáng)的部位。

圖4 壓板和螺栓壓緊方式

圖5 定位工裝加壓板壓緊方式

對(duì)于薄壁工件來說，應(yīng)全面考慮效率和精度質(zhì)量因素，充分研究工件的壓緊部位及數(shù)量，盡可能均布?jí)簤K。但是由于壓板只壓緊工件四周，中間無壓緊，所以在切削加工時(shí)，切削力破壞了工件初始?xì)堄鄳?yīng)力的平衡，殘余應(yīng)力重新分布，而壓板壓緊的位置會(huì)阻止應(yīng)力的均勻分布，導(dǎo)致應(yīng)力會(huì)向工件中間無壓板位置聚集，當(dāng)加工完成壓板壓緊力撤銷后，工件會(huì)出現(xiàn)中間凸起的變形。因此，薄壁工件夾持一般使用特殊的夾具，以保證受力均勻，且夾持便利，裝夾平穩(wěn)。例如使用磁力吸盤夾緊方式（見圖6），可使吸附力均布，降低壁厚較薄工件加工中的夾持變形。為了確保夾持的穩(wěn)定性，應(yīng)同時(shí)均布?jí)喊暹M(jìn)行輔助壓緊。

圖6 磁力吸盤夾緊方式

4 加工順序

加工過程中優(yōu)化工件各個(gè)區(qū)域的加工順序，可明顯抑制變形量。確定加工順序的一般規(guī)律是在加工過程中，最大能力地維持工件的剛性處在最優(yōu)狀態(tài)。首先加工剛性最低的區(qū)域，然后加工剛性相對(duì)高的區(qū)域，這樣在剛性低的區(qū)域加工后、應(yīng)力重新分布時(shí)，剛性較高的區(qū)域變形量相對(duì)較小，能夠有效地控制工件總體變形。

5 刀具軌跡

加工過程中，不同的刀具軌跡形成的切削力，對(duì)工件在加工過程中的剛性影響程度是不一樣的，產(chǎn)生的變形也有差別。根據(jù)機(jī)床選用較優(yōu)的刀具路徑，可以提升工件的加工精度。

首先，選用適當(dāng)?shù)淖叩斗椒ǎM可能使用沿輪廓的切向或斜向切進(jìn)的方法緩慢地切進(jìn)工件，確保刀具路徑平穩(wěn)光滑。壁厚較薄的工件應(yīng)先考慮采取螺旋或圓弧走刀方式，禁止豎直走刀。應(yīng)使刀具緩慢進(jìn)入工件，減少晃動(dòng)，這樣就不會(huì)在工件外表面的進(jìn)入處出現(xiàn)駐刀印痕，從而獲得較高的表面加工精度。

其次，在加工過程中選取適當(dāng)?shù)那邢髀窂?，走刀方法通常有兩種：環(huán)切和行切。環(huán)切通常是從中心部位下刀，由中心向周圍環(huán)切至端面，加工過程中都是順銑，所承受的力的變化小，切削平緩，在實(shí)際加工中應(yīng)用效果較好。行切是順銑和逆銑結(jié)合加工，力的方向不定，易出現(xiàn)振動(dòng)，相鄰軌跡之間刀痕嚴(yán)重，表面加工精度不如環(huán)切好，通常不在精加工中使用。受機(jī)床本身精度的影響，采取環(huán)切方式加工時(shí)，切削軌跡反向時(shí)主軸降速明顯，加工中會(huì)有暫時(shí)的停留，且在切削軌跡反向的部位存留圓形的痕跡，影響加工質(zhì)量，需打磨處理。

環(huán)切加工時(shí)，在軌跡的對(duì)角線以及在每次反向的部位產(chǎn)生駐刀痕，基本遍布整個(gè)工件。行切加工后，只會(huì)在筋的根部產(chǎn)生一圈駐刀痕，若行切后再添加一個(gè)清根的走刀軌跡，則工件只會(huì)在拐角處產(chǎn)生為數(shù)不多的駐刀痕。

改進(jìn)刀具走刀反向以及環(huán)形走刀的過渡方式，可降低加工過程中切削力的變化量。一般程序默認(rèn)直角過渡，當(dāng)?shù)毒咭砸粋€(gè)進(jìn)給速度移動(dòng)到此部位時(shí)，切削力會(huì)忽然變化，不僅影響刀具壽命，還降低了表面加工精度。因此，在壁厚較薄的零件加工中，所有走刀必須圓滑過渡，在拐角處增添一定的圓角，環(huán)形走刀增添圓弧過渡，以提高表面質(zhì)量。

6 結(jié)束語

通過對(duì)加工工藝、加工順序和刀具軌跡3方面的分析，闡述了鋁合金結(jié)構(gòu)件加工過程中變形的影響因素，以及較優(yōu)的參數(shù)選取原則，對(duì)實(shí)際加工具有一定的指導(dǎo)意義。