大型环状薄壁铝合金零件加工变形控制探讨

摘要：薄壁零件的加工一直是机械加工中的难题，而大型薄壁结构件其加工难度更大。本文针对如何保证该产品的机加精度及设计要求，提出了控制加工变形的应对措施，取得了不错的效果。

关键词：环状薄壁件；走刀策略；工艺块；变形控制

1 引言

随着现代航空航天工业的发展，铝合金薄壁结构零件由于其质量轻，耐腐蚀性好、比强度、比刚度较高以及成本优廉等一系列优点，因此在航空航天领域被广泛使用。由于该类薄壁结构件外廓尺寸相对截面尺寸较大，相对刚度低，加工余量大，加工工艺性差，在切削力、切削热、切削颤振等因素影响下，零件极易产生变形，加工精度难以保证成为了该类零件加工的技术难题。由于变形无法避免和彻底消除，唯一途径就是通过采取各种手段去减轻变形影响，从而使零件加工满足设计要求。本文以某大型环状薄壁铝合金零件的加工为例，来探讨该类零件的机械加工。

2 零件结构特点与难点分析

某大型环状薄壁零件的结构尺寸如图1所示。外径为Φ2100mm，内径为Φ1956mm，壁厚仅为（4±0.15）mm，环形跨度为150°，筋板高度为40mm，槽深36mm，筋板上有大小不等的孔。该零件毛坯采用7050铝合金轧制板材，毛坯状态需要3至4个人才能移动，完工后1个人一个指头便可轻松将其拧起，加工中要去除掉大部分材料，产生大量切削热导致热变形。在试件铣削过程中发现：零件易受切削力和切削振动的影响，产生加工变形和切削颤振，加工精度和表面质量无法有效保证；卸除装夹并充分冷却后，出现零件两端向内收缩近0.8mm～1mm、外圆（R1050边）向上扭曲的现象，导致产品的尺寸精度及筋板与腹板的位置精度超差。工件尺寸大，刚性差，目前可借鉴的数控铣削技术手段缺乏。

通过对试件铣削过程及其变形规律进行实际摸索、分析和总结，发现由于零件尺寸过大、壁薄、刚性差，切削力、切削热及切削振动的综合影响导致加工变形加剧，毛坯的初始残余应力对零件在卸除装夹并充分冷却后的变形具有不可忽视的影响。毛坯的初始残余应力经过热处理及时效处理后无法有效释放，零件材料的去除使零件内部残余应力重新耦合分布达到新的平衡，随着走刀路径的不同，零件内的初始残余应力的释放顺序也不同，从而造成零件加工后产生变形的程度不一。针对零件加工变形的主要因素，结合加工实际情况，加工中利用可靠的定位进行工件装夹，最大限度地减少零件在加工过程中自身刚度和工艺刚度的降低，并且根据毛坯材料的初始残余应力分布规律进行下料、计算各个尺寸的切削余量、优化走刀策略，来减小初始残余应力对零件的整体变形的影响。

3 零件材料特性及其切削加工性能分析

零件材料为7050铝合金，毛坯采用该铝合金的预拉伸板。7050铝合金是一种高强度铝合金。其弹性模量是70Mpa～73MPa，远低于钢，由于其弹性模量小，屈服强度大，加工后极易产生回弹现象。特别是大型薄壁件，纵横比很大的零件，切削后的回弹和让刀现象更加严重。在加工过程中，为了控制加工变形，应尽量降低铣削力和装夹变形，且还要保证在最大铣削力下稳定加工，以保障零件的尺寸。

4 确定工装夹具、合适刀具以及理想切削参数控制零件的变形

根据该产品直径大、纵横比大、壁薄的特性，粗加工时，以其底平面为基准平面，采用压板装夹；在精加工时，将零件安装在自制工装上，以工件的内槽曲面进行定位，用压板压紧槽腹板，使零件在加工槽口时产生的变形得以校正，更好地保障了零件的尺寸要求。

针对该零件壁薄、加工量大和材料的加工特性，采用铝合金加工专用刀具，刀具材料为YG6，刃长42mm，螺旋角为45°，且前角后角选用较大。粗加工时选用直径为12mm的两刃键槽铣刀加工外形、直径为10mm的两刃键槽铣刀来加工槽口；精加工时为了使刀具受力均衡、提高表面质量，选用直径为8mm的4刃立铣刀。

5 工艺路线的规划

在加工过程中，毛坯初始残余应力、走刀策略、工件装夹、切削力、热变形及切削振动的影响使零件加工精度降低。故在设计加工工艺路线时，需要综合考虑以上因素。在加工零件过程中，首先遇到的难题是如何消除毛坯初始残余应力及减少零件刚度的降低。为此，利用毛坯初始残余应力的分布规律，计算各个尺寸的加工余量，细化走刀策略，使工件内的初始残余应力有序释放，从而零件的变形量控制在精度范围内。

为最大限度地减少零件刚度的降低，减小加工变形和加工颤振，根据零件结构特点和立式数控铣床的特点，在加工过程中合理设置工艺块，采用压板多点对称装夹方式，防止加工过程中的振动及变形。

由于材料切除量较大，通过多次反复分析研究，确定了数铣加工各工步顺序，即粗加工—振动时效—半精加工—热时效—精加工的工艺路线并严格按照其順序进行加工，尽量消除以上因素对零件加工精度的影响。

6 走刀策略及冷却方式的选择

设计合理的走刀路径，可以有效地减小零件在初始残余应力与切削力、切削热产生的新应力的耦合作用下产生的弹塑性变形。通过多次试验论证，加工时采用顺铣方式。精加工槽壁及筋板时，采用分布环切走刀形式，即在切削过程中，对称切除工件材料，使加工应力均匀，有效打破零件变形一边倒的趋势。

冷却液为水溶剂切削液，冷却时采用机床主轴的冷却系统与刀座的冷却系统相配合，主轴冷却系统对准零件，刀座冷却系统对准刀具切削刃，使加工部位得到快速充分冷却，以减小铣削时铣削热对零件的变形影响，冷却液对零件冷却时切忌时有时无，以避免刀具出现冷热交变而产生破裂现象。

7 结束语

本文从零件的材料特性及结构特点入手，提出了合理安排工艺流程、调整工件装夹方案、优化走刀策略与加工顺序、选取合理的刀具及切削参数等减轻变形及零件刚度的应对措施，解决了该零件机械加工变形、尺寸精度超差等技术难题，为今后同类零件的加工提供了宝贵的经验借鉴。

参考文献：

[1]《机械加工工艺手册》孟少农 主编，1998年3月出版，机械工业出版社

[2]《现代夹具设计手册》浦林详 主编，2010年2月出版，机械工业出版社

作者简介：王德仙（1973-），女，民族：汉，籍贯：贵州省遵义市，当前职务：工艺师，当前职称：中级工程师，学历：本科，研究方向：机械加工。