薄壁件加工变形分析与控制

　　摘　要：影响薄壁件加工变形的因素很多，解决问题的关键是抓住这些因素中的可控制的、主要的加以分析，本文通过研究这些因素，提出一些实际应用中解决这些问题的办法，对薄壁件的加工精度有很好的提高。
　　关键词：切削；变形；控制
　　由于薄壁结构形状复杂，相对刚度较低，故加工工艺性差。薄壁零件机械加工的变形问题，多少年来一直困扰着机械加工行业，是比较难以解决的课题。如果在切削过程发生了弹性变形，那么构件实际的切削量将会少于应当的切削量，本文以铣削加工时产生变形的原因和控制方法进行了研究。
　　1.产生变形的原因
　　薄壁件加工变形产生的原因很多，与毛坯的材质、零件的几何形状以及生产条件（包括人、机床设备、工艺方法、环境等因素）都有关系。主要从以下几个方面分析：
　　1.1可控制变形因素：
　　1）毛坯的材质
　　毛坯本身的不平整误差，将反映在加工后的零件上。
　　2）刀具对工件的作用
　　切削热：在切削过程中，为克服材料的弹性变形、塑性变形和刀具与工件之间的摩擦所做的功，大部分转化为切削热，造成零件各部位温度不均，使零件产生变形；切削力：刀具的切削分力，使零件表面在弹性恢复后产生不度。
　　3）工件的装夹条件
　　因夹紧力与支承力的作用点选择不当，会引起附加应力。
　　4）刀具下刀方式的影响
　　加工薄壁零件时，垂直进刀方式的选择对腹板加工精度的影响以及水平进刀方式的选择对侧壁加工精度的影响是客观存在的。选择合适的下刀方式对于减小加工变形是有意义的。
　　1.2不可控制变形因素：
　　1）毛坯的材质
　　毛坯经过热成形后，冷却过程中产生内应力，切削后内应力重新分布引起变形，虽然可以经过热处理来消除内应力，但是不可能完全的消除，切削必然会引起工件的变形。零件经切削后，截面尺寸和形状变化也会导致内应力分布的变化，从而引起变形。
　　2）刀具
　　刀具在加工过程中必然要磨损，这样就使的铣削量减少，从而产生变形。
　　3）工件的装夹条件
　　因薄壁零件刚性差，加工时夹、压的弹性变形将影响表面的尺寸精度和形状、位置精度，产生加工变形。
　　4）机床、工装的刚度，加工环境的温度，零件冷却散热情况等等对零件的变形也都有一定的影响。
　　以上这些影响薄壁件加工变形的因素中，切削力、夹紧力以及毛坯的残余应力是影响加工误差的主要因素，其次是振动，其他因素的影响较小。如图1影响薄壁件数控加工变形的因素简图。 　　2.减少薄壁件变形的途径和方法
　　2.1薄壁件特定的加工工艺的研究
　　1）从加工工艺系统的整体刚性角度考虑，提出了充分利用零件的整体刚性加工薄壁零件的思想。
　　2）使用特殊的机床与刀具进行薄壁零件的加工。如日本的岩部育洋采用双轴机床分别从两侧壁加工，从而抵消了薄壁的变形。很多文献提出了采用刀杆较细的立铣刀进行侧壁加工，避免刀杆损坏己加工的表面。
　　3）采用多种工艺方法进行薄壁零件的加工，主要有：精加工Z后一次走刀后，在没有进给量的情况下进行光切，并用手工打磨。该方法虽然能够将大部分的残余材料切除掉，但大大增加了加工工时，降低了生产率；对刀具切削用量及走刀路径进行优化，达到减小变形的目的。
　　4）从工装方面考虑，采用真空夹具、石膏填充法及低熔点合金填充法等工艺方法加强支撑，进而达到减小变形，提高精度的目的。
　　5）从有效补偿加工变形的思想出发，提出薄壁零件加工变形分析及控制方案。
　　2.2薄壁零件的高速加工
　　在薄壁零件的加工中，高速切割铣削的加工方法是众多学者研究的热点之一。
　　主要优点有：
　　1）高速切削时，由于切削力小，所以在加工薄壁零件时工件产生的让刀变形相应的减小，易于保证零件的尺寸精度和形位精度；
　　2）高速切削时由于切削热大部分由切屑带走，工件温度升不高，工件的热变形小，这对于减小薄壁零件的变形非常有利；
　　3）高速切削时，刀具的激振频率提高所以加工薄壁零件时可以在较高范围内选择主轴转速，使激振频率避开薄壁结构工艺系统的振动频率范围，从而避免切削振动，实现平稳切削；
　　4）高速加工时，刀具伸长度短，刚性好。可见，高速加工确实具有相当的优越性。
　　缺点：单个刀具成本比较高，机床系统要求高，刀具平衡性要求高，主轴寿命比较短。高速切割并非适宜所有的切削，有些比较硬的金属就不适合高速切割加工的方法。
　　3.本文要采用的方法
　　以铝合金为研究对象，加工如图2所示的零件，长700mm宽600mm高10mm壁厚2mm，采用多种工艺方法的优化来控制变形。 　　（1）平端面至加工要求。
　　（2）运用合理的装夹方案，减少由于装夹不当而引起的变形。
　　（3）刀具路径进行优化，采用分步环切工艺，尽可能利用其未加工部分作为正在铣削部分的支撑，使切削过程处在刚性Z佳的状态。
　　（4）对于变形大的区域可以适当的提高切削速度，减小切削量。
　　（5）在精加工Z后一次走刀后，在没有进给量的情况下进行光切。
　　4.结论
　　通过对铣削加工中影响薄壁件变形因素的分析，提出了一个综合的控制变形的方法，通过对这些方面的改进，使用先进的加工方法，可大大减少加工中零件的变形，能有效的提高零件的精度和稳定性。
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