高強(qiáng)度鋁合金薄壁件銑削加工變形控制的研究

雷曉燕

航空產(chǎn)品中常使用高強(qiáng)度鋁合金航空薄壁結(jié)構(gòu)，但其在銑削加工中極易出現(xiàn)變形問題，增加制造難度，本文對造成薄壁件結(jié)構(gòu)變形因素進(jìn)行分析，提出預(yù)防與控制變形工藝措施。

近年來，航天工業(yè)發(fā)展迅速，對航空航天的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生極大影響。零件設(shè)計(jì)逐漸向復(fù)雜化、整體化與薄壁化發(fā)展，同時(shí)要求其的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，裝配環(huán)節(jié)簡化，飛機(jī)自重降低。然而，高強(qiáng)度鋁合金航空薄壁件的銑削加工問題使航空制造業(yè)面臨新挑戰(zhàn)，該構(gòu)件剛性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且若材料的去除量大時(shí)無法控制加工尺寸與變形的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的一次性合格率。此為我國航空航天的生產(chǎn)領(lǐng)域中一個(gè)瓶頸，而且，高強(qiáng)度鋁合金航空薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形控制成為一個(gè)有待解決的問題。

1造成薄壁結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形因素分析

在銑削加工中，造成造成薄壁結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形因素較多，如工藝參數(shù)、夾具、機(jī)床、刀具、工件等，主要因素為材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、工裝夾具裝夾力與加工過程切削力。

1.1 材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力

在無外力荷載的作用下，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，毛坯為不變形狀態(tài)。當(dāng)薄壁的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工過程中殘余應(yīng)力毛坯材料一旦被去除，釋放殘余應(yīng)力，使原有平衡狀態(tài)打破，在加工完成以后，重新分布應(yīng)力，新平衡狀態(tài)產(chǎn)生，造成加工變形。在薄壁結(jié)構(gòu)的加工過程中具有較高的材料去除量，高達(dá)90%，這就使得釋放殘余應(yīng)力所造成的加工變形十分明顯。

1.2 加工過程的切削力

加工板框類薄壁結(jié)構(gòu)件方式以銑削為主，材料在銑刀的擠壓作用下，剪力失效，去除材料基體，使得工件和銑刀的前后刀面間由強(qiáng)烈變化的切削力。薄壁結(jié)構(gòu)件的剛度降低，在切削力作用下局部彈塑性變形，工件表面質(zhì)量與加工精度降低。此外，銑削時(shí)工件加工表面出現(xiàn)塑形變形，且與其他部位彈性變形發(fā)生互相牽制，并有新加工應(yīng)力形成，材料內(nèi)部的原有應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)一步改變，最終造成加工變形。

1.3 工裝夾具的裝夾力

薄壁結(jié)構(gòu)件在銑削加工中，裝夾方案對加工變形產(chǎn)生較大影響。有研究數(shù)據(jù)表明，薄壁結(jié)構(gòu)加工誤差的20%為裝夾與定位產(chǎn)生的。薄壁結(jié)構(gòu)件具有較高的加工精度要求，若機(jī)床上工件定位選擇不當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)面，或者夾緊力位置與大小不合適，均能夠造成定位誤差，使精度降低。此外，工件夾緊力與切削力之間出現(xiàn)耦合效應(yīng)，對加工應(yīng)力產(chǎn)生與殘余應(yīng)力重新分布產(chǎn)生影響，造成薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形復(fù)雜。

2減小薄壁零件加工變形的策略

薄壁結(jié)構(gòu)件具有較弱的局部剛性，加工工程極易受到切削熱與切削力的影響。因此為了使薄壁零件的加工變形得到控制，其主要方法為零件局部的剛度與切削力之間關(guān)系的正確處理。薄壁零件的局部加工變形減小主要途徑為參與應(yīng)力消除與切削力降低。在數(shù)控加工的實(shí)際應(yīng)用于理論研究均證實(shí)，告訴切割的切削力較小，在加工過程中刀變形的效應(yīng)小。此外，切削熱多部分被切削帶走，其零件的溫度變化小，工件發(fā)生熱變形較小，零件形位精度與尺寸精度更容易控制。使用高速切削對薄壁零件進(jìn)行控制變形是以零件剩余剛度與切削力的協(xié)調(diào)為基本原則，加工參數(shù)優(yōu)化，并使切削力控制適當(dāng)，使零件的剩余剛力保持最大，與切削力抗衡，最終實(shí)現(xiàn)薄壁零件控制加工變形目的。在加工過程中，薄壁結(jié)構(gòu)件具有較高的材料去除率，且截面的形狀較為復(fù)雜，隨著材料的去除，毛坯內(nèi)應(yīng)力逐步釋放，不均勻的內(nèi)應(yīng)力造成零件整體變形。對于毛坯應(yīng)當(dāng)欲釋放內(nèi)應(yīng)力，運(yùn)用適當(dāng)時(shí)效優(yōu)化設(shè)置與處理方法將工藝槽釋放，此為內(nèi)應(yīng)力消除直接有效途徑。

零件的加工過程受到工裝夾具限制，出現(xiàn)不均勻的夾力分布，工件在卸夾具之前未發(fā)生明顯輪廓變形，在零件加工中，應(yīng)力平衡恢復(fù)受到夾具制約，使得工件的形狀處于不穩(wěn)定狀態(tài)。但是零件剛性的薄弱中心區(qū)域受到加工應(yīng)力的重新平衡，極易出現(xiàn)塑形變形，因此應(yīng)當(dāng)使裝夾方式更加優(yōu)化合理，從而消除零件受到裝夾力而產(chǎn)生的變形。

3薄壁零件加工變形控制工藝

以高速切削技術(shù)將切削力降低為基礎(chǔ)，不斷使加工參數(shù)優(yōu)化，以及刀誤差不暢優(yōu)化，從而使零件變形得以控制。為了使工件與刀具之間的互相受力作用所產(chǎn)生的加工精度誤差消除，可使用刀具在補(bǔ)償工藝中偏擺切過。在加工工件之前，利用薄壁結(jié)構(gòu)件的切削受力有限元進(jìn)行銑削工程中工件變形量與變形趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測，結(jié)合預(yù)測變形量偏擺刀具，并在數(shù)控程序中錄入偏擺量，使實(shí)際切割中的刀具與工件偏離方向偏向，將刀所帶來的不均勻壁厚現(xiàn)象克服，不暢加工誤差。

薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形是受到材料內(nèi)應(yīng)力而引發(fā)，將應(yīng)力分布均勻毛坯作為首選，有助于應(yīng)力測量，并掌握內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)律，采用仿真模擬手段優(yōu)化工藝線路。在時(shí)效處理毛坯材料時(shí)，還應(yīng)當(dāng)對應(yīng)力釋放合理設(shè)置，從而使應(yīng)力消除，但由于時(shí)效方式不同，其實(shí)用性與效果也不相同。經(jīng)過對比可見，高低溫的時(shí)效處理不僅擁有自然時(shí)效的穩(wěn)定性尺寸，還可以傳統(tǒng)時(shí)效處理，使應(yīng)力峰值降低，最終為應(yīng)力分布，一定程度的使材料機(jī)械性能提高。高低溫時(shí)效作為新型時(shí)效方式，在薄壁結(jié)構(gòu)件的加工變形控制中提供新工藝。在加工過程中，應(yīng)力釋放槽的設(shè)置位置應(yīng)為應(yīng)力集中處，如：緣條易彎曲零件的應(yīng)力極易產(chǎn)生部位為肋板邊緣，其梁肋間極易出現(xiàn)翹曲，該工藝具有簡單可行的操作，可操作性強(qiáng)。防變形裝夾技術(shù)的使用是薄壁結(jié)構(gòu)件的高效加工實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵之處，其中防變形裝夾技術(shù)關(guān)鍵之處為裝夾時(shí)保持零件的工作臺面與基準(zhǔn)面致密貼合、自然貼合，在零件的基準(zhǔn)面上由多點(diǎn)均勻分布，并受力緊固。特別是框架類、薄壁類的零件，使用傳統(tǒng)工件進(jìn)行四周預(yù)留工藝的壓板裝夾方式，而零件本身具有較差的剛性，工件各點(diǎn)的不均勻受力，在加工后所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力極易使工件出現(xiàn)翹曲變形。此外，機(jī)床與工件系統(tǒng)也具有較差剛性，極易出現(xiàn)顫震，使工件表面精度受到影響。針對薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確保工件的加工過程有持續(xù)均勻的裝夾力，應(yīng)當(dāng)采用真空輔助裝夾方式。此裝夾方法具有恒定、持續(xù)的吸附壓力，牢牢固定工件于夾具上，使加工工件的柔弱剛性區(qū)域與工作臺面緊貼，使得加工后的柔弱剛性區(qū)域翹曲變形有關(guān)問題消除。此裝夾方式以真空吸盤體為主要執(zhí)行元件，上面密封環(huán)槽分布以加工工件形貌特征進(jìn)行確定，同時(shí)，此裝置省去壓板間螺紋與裝夾配合時(shí)間，大量實(shí)踐證實(shí)，真空輔助裝夾方式可使產(chǎn)品質(zhì)量有效提高，促進(jìn)生產(chǎn)效能充分發(fā)揮。

4 結(jié)語

為使現(xiàn)代航空工業(yè)需求得到滿足，航空薄壁件逐漸向復(fù)雜化、整體化與薄壁化方向發(fā)展，將其銑削加工中變形問題解決對航空產(chǎn)品質(zhì)量與加工效率提高意義重大。本研究在對該變形原因進(jìn)行分析后得出，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力、加工過程的切削力、工裝夾具的裝夾力，并以工藝為著重點(diǎn)提出解決措施，最終實(shí)現(xiàn)航空薄件的高精度與高效加工。

資助項(xiàng)目：該論文受學(xué)院科研項(xiàng)目《高強(qiáng)度鋁合金切削加工仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證研究》項(xiàng)目資金資助，批準(zhǔn)號：NJDZJ1501。

（作者單位：內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）