數(shù)控加工中產(chǎn)品變形控制策略研究

莫宗遠(yuǎn)

摘要：21世紀(jì)，隨著人類社會(huì)需求的增大，我國(guó)的科技水平也在高速發(fā)展。其中數(shù)控機(jī)床便是其中發(fā)展比較成熟的一項(xiàng)技術(shù)，而我國(guó)的航天工業(yè)自新中國(guó)成立以來(lái)便是科技人員大力發(fā)展的項(xiàng)目。毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)控機(jī)床的發(fā)明為我國(guó)的航天工業(yè)的發(fā)展提供了重要的發(fā)展因素。利用數(shù)控機(jī)床加工航天構(gòu)件成為了現(xiàn)如今航天工業(yè)生產(chǎn)和建造的最基本手段，其中比較重要的便是薄壁零件的加工。如何控制其中典型的薄壁加工變形、局部形狀變形是現(xiàn)如今數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品比較重要的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：航天工業(yè);數(shù)控加工;控制變形

如今中國(guó)的航天工業(yè)發(fā)展在世界上可以排在最前列，人們出行乘坐的飛機(jī)、環(huán)繞在地球周圍的衛(wèi)星、遨游太空的火箭，這些都表現(xiàn)出我國(guó)航天工業(yè)的重大發(fā)展?，F(xiàn)在我國(guó)科技人員正在研究如何將客機(jī)向大型機(jī)轉(zhuǎn)變、怎樣才能提高乘客乘坐飛機(jī)時(shí)的舒適感，而其中較為有效的方法便是減少飛機(jī)上的零件數(shù)量并且將零件輕薄化，這樣可以讓飛機(jī)在組裝過(guò)程中更加簡(jiǎn)便。這便需要在零件制作上擁有更高的科技，數(shù)控機(jī)床便可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。不過(guò)數(shù)控機(jī)床加工其中會(huì)涉及到零件變形的問(wèn)題，這是需要科技人員重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

現(xiàn)如今為止，為了提高航天工業(yè)的技術(shù)含量以及確保人民日常生活中的體驗(yàn)感，在零件上的使用普遍都是薄壁零件，這些零件擁有整體的結(jié)構(gòu)，比如飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)蓋、框架、機(jī)槳以及客艙當(dāng)中的座椅等等。這些零件基本上都是結(jié)構(gòu)較為輕薄、截面尺寸比較小但是外形尺寸比較大、擁有極為復(fù)雜的形狀并且零件的分布并不均一、對(duì)稱。 這些零件的材料通常是以塑性較小的鈦合金、鋁合金或者是耐磨性較高的硅合金等。這些材料的加工極為復(fù)雜，有的需要擠壓、有的需要拉升、有的需要溶解，其中最為重要的便是對(duì)材料進(jìn)行冷加工，這便需要用到數(shù)控機(jī)床。通常是將擁有薄壁結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行數(shù)控銑削，而因?yàn)檫@些零件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜并且在銑削的同時(shí)也要進(jìn)行拉伸等預(yù)處理，所以在利用數(shù)控機(jī)床加工這些零件時(shí)無(wú)法很好的消除由于材料內(nèi)部剛性較差而引起內(nèi)應(yīng)力無(wú)法消除的問(wèn)題，以至于在加工過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些變形。如果零件變形，便無(wú)法正常地使用，這樣會(huì)提高制作的成本。所以要用有效的辦法解決材料在數(shù)控機(jī)床加工中變形的問(wèn)題。

在用數(shù)控機(jī)床加工航天工業(yè)零件時(shí)，出現(xiàn)變形的原因有很多，并且這些變形毫無(wú)規(guī)律可言。為了方便統(tǒng)計(jì)與做出調(diào)整，將航天工業(yè)零件在數(shù)控機(jī)床中的加工出現(xiàn)的變形分為了零件的結(jié)構(gòu)局部變形和零件外形的輪廓整體發(fā)生變形兩類。分類的依據(jù)便是發(fā)生變形時(shí)的時(shí)間、發(fā)生變形的程度、發(fā)生變形的原因以及發(fā)生變形的影響。一般在零件的切削和加工過(guò)程中，最容易出現(xiàn)零件的結(jié)構(gòu)局部發(fā)生變形這一情況。最直接的表現(xiàn)為：零件的過(guò)量切削、車床發(fā)生讓刀、零件的局部彎曲，這些現(xiàn)象普遍出現(xiàn)在零件和刀具接觸的部位。出現(xiàn)這些問(wèn)題最主要的原因便是因?yàn)檫@些航天工業(yè)零件是極其輕薄的零件，這種零件與其它結(jié)構(gòu)的零件相比起來(lái)會(huì)有局部剛性不足的缺點(diǎn)。而這樣就會(huì)引起在加工時(shí)出現(xiàn)局部變形、零件斷裂、加工出的材料與規(guī)定的尺寸存在誤差;零件外形的輪廓整體發(fā)生變形的情況通常發(fā)生在完成了切削后，例如：對(duì)零件進(jìn)行扭曲、彎曲加工或者在零件完成加工后在保存時(shí)，放置了一段時(shí)間過(guò)后零件的外形也會(huì)發(fā)生改變。而發(fā)生這些變形的原因是因?yàn)樵趯?duì)材料進(jìn)行加工后，材料的整體外形、規(guī)格都發(fā)生了改變，這時(shí)材料內(nèi)部本身自帶的內(nèi)應(yīng)力會(huì)自動(dòng)發(fā)生平衡進(jìn)行重新分布，并且在加工零件時(shí)，車間的工作環(huán)境溫度不一致，當(dāng)重新改變了環(huán)境溫度這些材料就會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，從而引起零件的變形。當(dāng)然，在一定程度下，材料的熱脹冷縮是一個(gè)可逆過(guò)程，當(dāng)環(huán)境溫度改變過(guò)后發(fā)生的形變?cè)谥匦禄謴?fù)到原來(lái)的溫度時(shí)便會(huì)重新恢復(fù)原本的形狀，不過(guò)在超出了材料的彈性時(shí)，材料便不會(huì)再重新復(fù)原，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在材料的加工、運(yùn)輸以及安裝的過(guò)程中保持溫度的恒定來(lái)解決。

1.零件的結(jié)構(gòu)局部變形的控制

航天工業(yè)中采用的零件大多都是比較輕薄的材料，這樣的材料具有壁薄的特點(diǎn)，而壁厚一般在0.5～3毫米之間。正是因?yàn)楸诒〉脑驅(qū)е铝司植康膭傂员容^弱，所以這些材料在整個(gè)零件的加工時(shí)，切削時(shí)候產(chǎn)生的熱量、刀具和零件之間的阻力都會(huì)對(duì)零件有比較大的影響。而在數(shù)控機(jī)床的加工中，通常是平衡好零件局部的剛性、調(diào)整好零件和刀具之間的阻力問(wèn)題這一手段來(lái)解決具有薄壁特點(diǎn)的材料容易發(fā)生變形的主要途徑之一。換句話說(shuō)，想要減少航空工業(yè)零件在數(shù)控加工中發(fā)生局部變形的情況，就必須要調(diào)整好切力大小和平衡好零件剩余的剛力。而想要做到這兩點(diǎn)最有效的方式便是在加工過(guò)程中，必須要做到高速切削。為什么說(shuō)高速切削能夠改變零件發(fā)生局部變形的情況是因?yàn)椋海?）高速切削因?yàn)槠溥^(guò)快的速度，導(dǎo)致刀具和材料之間的阻力會(huì)變得非常小，在加工薄壁材料的過(guò)程中不容易發(fā)生讓刀、撞刀等問(wèn)題，這樣加工出來(lái)的零件其精度都會(huì)更加準(zhǔn)確。（2）在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中，刀具與材料發(fā)生切割會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而薄壁才會(huì)會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而發(fā)生形變。但是如果采用高速切削，刀具和材料產(chǎn)生的熱量便會(huì)通過(guò)切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑而帶出，這樣零件本身的溫度變化不大，所以便不會(huì)發(fā)生熱形變或者形變的程度非常小。

2.零件外形的輪廓整體發(fā)生變形的控制

在航天工業(yè)零件的整體結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中，會(huì)根據(jù)所需要的零件結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行加工，比如需要機(jī)翼、機(jī)漿、機(jī)身框架或者是機(jī)艙座椅，那么就需要控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行具體的加工。而在這一部分的加工過(guò)程中，要比零件部分加工去掉的調(diào)料要多得多，這其中就涉及到材料本身內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力分布不均勻的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際的加工情況得出，在加工整體材料的過(guò)程中，材料的內(nèi)應(yīng)力都是無(wú)規(guī)則的釋放出去的，這種情況下，材料很容易發(fā)生形變，并且如果材料加工過(guò)程中車床對(duì)材料施加的力矩不平衡那么材料會(huì)直接產(chǎn)生變形。如果要解決材料內(nèi)應(yīng)力引起的變形，那么在整個(gè)航天工業(yè)零件加工過(guò)程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1、要從零件的原材料方面入手。在原材料方面要選擇內(nèi)應(yīng)力分布相對(duì)均勻的材料，并且一定要清楚力矩分布的原理，只有弄清楚力矩是如何分布的，才能更加有效的使其分布均勻從而克服材料因內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生變形的情況。如果在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)在不能找到內(nèi)應(yīng)力分布均勻的材料，那么盡量要選擇彈性較小的材料，這樣的材料相對(duì)而言不容易發(fā)生變形，不過(guò)缺點(diǎn)就是這樣的材料很容易因?yàn)閺椥暂^小而發(fā)生損壞。2、提前釋放應(yīng)力。在加工之前，可以先根據(jù)不同零件的具體形狀的毛胚進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力的預(yù)釋放，其中包括在應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行釋放和在并非應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行釋放，具體的情況需要技術(shù)人員根據(jù)零件具體的需要來(lái)進(jìn)行操作。3、校正已變形的零件。在加工過(guò)程中，如果零件已經(jīng)發(fā)生的變形，那么技術(shù)人員可以根據(jù)需要的零件形狀與已經(jīng)產(chǎn)生變形的零件的實(shí)際情況相結(jié)合，然后根據(jù)不斷的仿真實(shí)驗(yàn)做出校正結(jié)果，最后通過(guò)機(jī)械的方法來(lái)校正。不過(guò)這種方法的缺點(diǎn)便是零件已經(jīng)進(jìn)行了一次校正，所以其使用壽命普遍都不太高，在使用過(guò)程中工作人員一定要對(duì)其進(jìn)行定期的檢查。

航天工業(yè)的發(fā)展一直是我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目，并且已經(jīng)在其中取得了較大的成果。而數(shù)控機(jī)床的使用更是促進(jìn)了其發(fā)展，所以應(yīng)該更加專注于數(shù)控機(jī)床與航天工業(yè)相結(jié)合。當(dāng)然，其中對(duì)于零件加工這一方面不僅僅是零件變形的問(wèn)題，還有一些不可忽視的問(wèn)題，比如：機(jī)床設(shè)備的費(fèi)用昂貴、維修比較困難等問(wèn)題。這些問(wèn)題都需要技術(shù)人員大力攻克，以提高數(shù)控機(jī)床的工作質(zhì)量和效率。

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