鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)加工的余量堆積法應(yīng)用研究

王熙杰

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006）

1 概述

鋁合金材料因其韌性好、強(qiáng)度高及質(zhì)量輕的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天與民用工業(yè)領(lǐng)域，但也因其彈性模量小、屈服比大的特性，較易在加工中產(chǎn)生變形。

因此本文以鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分別針對(duì)某下殼體的薄壁深腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝性分析，針對(duì)長(zhǎng)懸臂薄壁結(jié)構(gòu)，提出了一種將非均布余量作為半精加工毛坯的余量堆積法，并通過(guò)有限元仿真進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，證明了以上觀(guān)點(diǎn)。

2 存在的問(wèn)題及應(yīng)用

針對(duì)小尺寸薄壁件，通過(guò)增大粗加工余量預(yù)留量，使用分層切削的加工策略，可以有效減小加工變形，保證薄壁件側(cè)壁表面質(zhì)量。但若薄壁件尺寸較大，則必須要考慮在熱處理殘余應(yīng)力的作用，對(duì)于尺寸越大的薄壁件，其余量總體積越大，則產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就愈大。

因此，為了在保證殘余應(yīng)力最小化的情況下，獲得較好的加工剛性，本文提出了一種針對(duì)大尺寸薄壁件的余量堆積法，即將均勻分布在壁厚方向的余量按越靠近支點(diǎn)側(cè)壁余量越厚的規(guī)則進(jìn)行重新排布，亟待解決較好的加工質(zhì)量。

3 薄壁零件受載情況下受力分析

3.1 切削力的確定

2A12 鋁合金材料側(cè)壁銑削的銑削力預(yù)測(cè)公式[1-4]如下所示公式（1）。根據(jù)表1 中常用薄壁鋁合金切削經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算以確定銑削力的三向分力及其總切削力F。

表1 常用薄壁鋁合金切削經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在薄壁件加工時(shí)，總切削力的變化范圍約為5-10N。為了簡(jiǎn)化研究對(duì)象，因此受力分析模型使用沿垂直于薄壁方向，且作用于直線(xiàn)上的均布載荷作為約束條件進(jìn)行分析，并按均布載荷的極限值F1=5N、F2=10N進(jìn)行研究。

3.2 簡(jiǎn)化模型的確定

定義了一個(gè)長(zhǎng)×寬為110mm×81.5mm，厚2mm 的薄板進(jìn)行金絲的力學(xué)分析，底部為懸臂支撐，左側(cè)施加固定支撐，右側(cè)懸空，如圖1 所示。定義其材料為2A12 鋁合金，其作為加工的目標(biāo)零件，命名為C1。

圖1 懸臂薄板C1 外形圖

對(duì)于第一種余量預(yù)留方案，即采用階梯式均勻分布的單側(cè)余量結(jié)構(gòu)，即在厚2mm 的薄板單側(cè)，增加四段截面為（1×a）mm 的長(zhǎng)方形余量，其中a 分別為81.5mm、60mm、40mm、20mm 并依次遞減，將該結(jié)構(gòu)命名為C2，如圖2（a）所示。

第二種余量預(yù)留方案為沿截面的均勻余量，即在厚2mm的薄板單側(cè)，增加截面為（2.5×81.5）mm的長(zhǎng)方形余量，并保證余量的總體積與方案一致，將其命名為C3，如圖2（b）所示。

圖2 懸臂薄板的兩種余量預(yù)留方案

3.3 受載情況變形分析

使用NX 高級(jí)仿真模塊對(duì)圖1 的A 點(diǎn)處底面施加固定約束，為了對(duì)兩種結(jié)構(gòu)最大受載情況進(jìn)行分析，因此對(duì)遠(yuǎn)離支點(diǎn)的B 點(diǎn)分別施加作用于直線(xiàn)上的均布載荷F1=5N、F2=10N，分別對(duì)C2、C3 進(jìn)行載荷作用下的變形仿真分析，約束條件如圖3 所示，仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。

表2 兩種不同結(jié)構(gòu)懸臂薄板沿受載方向最大位移及最大應(yīng)力匯總表

圖3 懸臂薄板的約束條件

通過(guò)以上分析，對(duì)于懸臂薄板的兩種余量預(yù)留方案，在保證切削總余量體積不變的情況下，在載荷為F=5N 及F=10N 時(shí)，沿受載方向的最大位移分別能減少約29.36%與29.68%；沿受載方向的最大應(yīng)力能減少15.72%。因此通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過(guò)改變余量分布的結(jié)構(gòu)，采用階梯式的余量堆積方法，能夠有效減少切削加工時(shí)受銑削力作用產(chǎn)生的變形及應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.4 余量堆積參數(shù)的判定方法

在使用了余量堆積法的情況下，需要對(duì)余量堆積的層數(shù)、每層厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以避免出現(xiàn)余量底層在壁厚方向延展過(guò)多或余量總體積過(guò)大的情況。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)某截面為長(zhǎng)方形的薄壁簡(jiǎn)支板長(zhǎng)為L(zhǎng)，其經(jīng)驗(yàn)余量厚度為δ，因此其總余量截面厚度為L(zhǎng)×δ，如圖4（a）所示。為了保證在余量堆積的情況下余量的總體積與經(jīng)驗(yàn)余量厚度保持一致，假設(shè)余量堆積的每層厚度δ0及每層高度L/n 均保持相同，則有下文公式（2），簡(jiǎn)化后有每層厚度δ0與δ、n 的關(guān)系式為下文公式（3）。

圖4 余量堆積法的參數(shù)簡(jiǎn)化模型

因此，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)余量厚度δ 及需要的堆積層數(shù)n，綜合考慮得到的每層厚度δ0及側(cè)壁最大壁厚n×δ0，可得出合適的堆積余量值。

4 基于余量堆積法的零件加工

4.1 零件結(jié)構(gòu)分析

下殼體零件的外形為無(wú)蓋開(kāi)放式盒體式結(jié)構(gòu)，由三面2mm 厚的側(cè)板，一面3mm 側(cè)板及3mm 厚的底板組成，其最大包絡(luò)外形尺寸為（122×106×85）mm。

由于其內(nèi)部安裝渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于相對(duì)兩薄壁上的同心孔有Φ0.01 的同軸度要求，又因該零件余量去除率高，薄壁結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)引起因側(cè)壁的彎曲收縮而導(dǎo)致孔同軸度超差，因此控制側(cè)壁的變形量是該零件加工的關(guān)鍵。

對(duì)于該零件，依然采用3R 夾具的裝夾方式，以底部定位片作為固定基準(zhǔn)以達(dá)到機(jī)床基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移。因此該零件在四軸機(jī)床上加工四側(cè)壁，而內(nèi)腔結(jié)構(gòu)在三軸機(jī)床上加工。

為保證材料殘余應(yīng)力釋放，因此在銑床粗精加工之間使用退火處理以消除應(yīng)力。

4.2 基于零件結(jié)構(gòu)的余量堆積參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)公式（3）中的判定方法，在粗加工時(shí)在加工余量1mm 的基礎(chǔ)上，增加余量厚度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為δ=2.5mm。由于側(cè)壁高度較大，出于簡(jiǎn)化編程刀路的目的，設(shè)置層數(shù)n=4，因此根據(jù)公式（3）有：

因此主機(jī)側(cè)壁余量堆積參數(shù)如表3 所示。

表3 主機(jī)殼余量堆積設(shè)置參數(shù)

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)為參考，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)每層高度進(jìn)行調(diào)整。以異型薄壁的兩個(gè)臺(tái)階平面、及外側(cè)壁安裝搭子的平面，作為余量堆積法四層的高度平面，如圖5 所示。

圖5 針對(duì)側(cè)壁的余量堆積法參數(shù)法

4.3 切削參數(shù)設(shè)置

由于零件為薄壁結(jié)構(gòu)，且軸向方向高度較高，為了保證刀具較大裝長(zhǎng)情況下仍有較好的加工剛性，因此對(duì)第一至第四層分布采用Φ4、Φ6、Φ8、Φ8R1 的銑刀進(jìn)行精加工。

對(duì)于側(cè)壁的側(cè)吃刀量控制，為了減少變形，使用分層切削的方式，沿側(cè)壁方向使用兩次走刀，考慮到不同刀具的接刀要求，第二次均采用0.15 的側(cè)吃刀量，保證表面質(zhì)量。實(shí)際切削參數(shù)如表4 所示。

表4 主機(jī)殼薄體側(cè)壁切削參數(shù)

根據(jù)工藝優(yōu)化策略，總結(jié)的主機(jī)殼機(jī)加工工藝如表5所示。加工后外形如圖6 所示，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量，兩渦輪蝸桿安裝孔滿(mǎn)足Φ0.01 同軸度的要求，因此基于余量堆積法的加工工藝能夠滿(mǎn)足大尺寸薄壁鋁合金特征的加工要求。

圖6 主機(jī)殼精加工后外形

5 結(jié)論

本文以某下殼體的薄壁深腔結(jié)構(gòu)為例，針對(duì)兩種開(kāi)放式薄壁鋁合金零件，利用有限元仿真軟件進(jìn)行分析對(duì)比，提出了余量堆積法以滿(mǎn)足加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的消除與加工剛性的平衡，解決了薄壁鋁合金的機(jī)加工難題，能夠有效提升表面質(zhì)量及加工精度，對(duì)于鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)的加工生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。