数控加工中产品变形控制策略研究

莫宗远

摘要：21世纪，随着人类社会需求的增大，我国的科技水平也在高速发展。其中数控机床便是其中发展比较成熟的一项技术，而我国的航天工业自新中国成立以来便是科技人员大力发展的项目。毫无疑问，数控机床的发明为我国的航天工业的发展提供了重要的发展因素。利用数控机床加工航天构件成为了现如今航天工业生产和建造的最基本手段，其中比较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变形、局部形状变形是现如今数控机床加工产品比较重要的问题。

关键词：航天工业;数控加工;控制变形

如今中国的航天工业发展在世界上可以排在最前列，人们出行乘坐的飞机、环绕在地球周围的卫星、遨游太空的火箭，这些都表现出我国航天工业的重大发展。现在我国科技人员正在研究如何将客机向大型机转变、怎样才能提高乘客乘坐飞机时的舒适感，而其中较为有效的方法便是减少飞机上的零件数量并且将零件轻薄化，这样可以让飞机在组装过程中更加简便。这便需要在零件制作上拥有更高的科技，数控机床便可以很好的解决这个问题。不过数控机床加工其中会涉及到零件变形的问题，这是需要科技人员重点解决的问题。

现如今为止，为了提高航天工业的技术含量以及确保人民日常生活中的体验感，在零件上的使用普遍都是薄壁零件，这些零件拥有整体的结构，比如飞机的机翼、机盖、框架、机桨以及客舱当中的座椅等等。这些零件基本上都是结构较为轻薄、截面尺寸比较小但是外形尺寸比较大、拥有极为复杂的形状并且零件的分布并不均一、对称。 这些零件的材料通常是以塑性较小的钛合金、铝合金或者是耐磨性较高的硅合金等。这些材料的加工极为复杂，有的需要挤压、有的需要拉升、有的需要溶解，其中最为重要的便是对材料进行冷加工，这便需要用到数控机床。通常是将拥有薄壁结构的零件进行数控铣削，而因为这些零件的结构非常复杂并且在铣削的同时也要进行拉伸等预处理，所以在利用数控机床加工这些零件时无法很好的消除由于材料内部刚性较差而引起内应力无法消除的问题，以至于在加工过程中不可避免的会出现一些变形。如果零件变形，便无法正常地使用，这样会提高制作的成本。所以要用有效的办法解决材料在数控机床加工中变形的问题。

在用数控机床加工航天工业零件时，出现变形的原因有很多，并且这些变形毫无规律可言。为了方便统计与做出调整，将航天工业零件在数控机床中的加工出现的变形分为了零件的结构局部变形和零件外形的轮廓整体发生变形两类。分类的依据便是发生变形时的时间、发生变形的程度、发生变形的原因以及发生变形的影响。一般在零件的切削和加工过程中，最容易出现零件的结构局部发生变形这一情况。最直接的表现为：零件的过量切削、车床发生让刀、零件的局部弯曲，这些现象普遍出现在零件和刀具接触的部位。出现这些问题最主要的原因便是因为这些航天工业零件是极其轻薄的零件，这种零件与其它结构的零件相比起来会有局部刚性不足的缺点。而这样就会引起在加工时出现局部变形、零件断裂、加工出的材料与规定的尺寸存在误差;零件外形的轮廓整体发生变形的情况通常发生在完成了切削后，例如：对零件进行扭曲、弯曲加工或者在零件完成加工后在保存时，放置了一段时间过后零件的外形也会发生改变。而发生这些变形的原因是因为在对材料进行加工后，材料的整体外形、规格都发生了改变，这时材料内部本身自带的内应力会自动发生平衡进行重新分布，并且在加工零件时，车间的工作环境温度不一致，当重新改变了环境温度这些材料就会发生热胀冷缩的现象，从而引起零件的变形。当然，在一定程度下，材料的热胀冷缩是一个可逆过程，当环境温度改变过后发生的形变在重新恢复到原来的温度时便会重新恢复原本的形状，不过在超出了材料的弹性时，材料便不会再重新复原，这个问题可以通过在材料的加工、运输以及安装的过程中保持温度的恒定来解决。

1.零件的结构局部变形的控制

航天工业中采用的零件大多都是比较轻薄的材料，这样的材料具有壁薄的特点，而壁厚一般在0.5～3毫米之间。正是因为壁薄的原因导致了局部的刚性比较弱，所以这些材料在整个零件的加工时，切削时候产生的热量、刀具和零件之间的阻力都会对零件有比较大的影响。而在数控机床的加工中，通常是平衡好零件局部的刚性、调整好零件和刀具之间的阻力问题这一手段来解决具有薄壁特点的材料容易发生变形的主要途径之一。换句话说，想要减少航空工业零件在数控加工中发生局部变形的情况，就必须要调整好切力大小和平衡好零件剩余的刚力。而想要做到这两点最有效的方式便是在加工过程中，必须要做到高速切削。为什么说高速切削能够改变零件发生局部变形的情况是因为：（1）高速切削因为其过快的速度，导致刀具和材料之间的阻力会变得非常小，在加工薄壁材料的過程中不容易发生让刀、撞刀等问题，这样加工出来的零件其精度都会更加准确。（2）在数控机床加工过程中，刀具与材料发生切割会产生大量的热量，而薄壁才会会因为温度过高而发生形变。但是如果采用高速切削，刀具和材料产生的热量便会通过切削过程中产生的切屑而带出，这样零件本身的温度变化不大，所以便不会发生热形变或者形变的程度非常小。

2.零件外形的轮廓整体发生变形的控制

在航天工业零件的整体结构加工过程中，会根据所需要的零件结构来进行加工，比如需要机翼、机浆、机身框架或者是机舱座椅，那么就需要控制数控机床进行具体的加工。而在这一部分的加工过程中，要比零件部分加工去掉的调料要多得多，这其中就涉及到材料本身内部的内应力分布不均匀的问题。根据实际的加工情况得出，在加工整体材料的过程中，材料的内应力都是无规则的释放出去的，这种情况下，材料很容易发生形变，并且如果材料加工过程中车床对材料施加的力矩不平衡那么材料会直接产生变形。如果要解决材料内应力引起的变形，那么在整个航天工业零件加工过程中应该注意以下几点：1、要从零件的原材料方面入手。在原材料方面要选择内应力分布相对均匀的材料，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匀从而克服材料因内应力而发生变形的情况。如果在生产过程中实在不能找到内应力分布均匀的材料，那么尽量要选择弹性较小的材料，这样的材料相对而言不容易发生变形，不过缺点就是这样的材料很容易因为弹性较小而发生损坏。2、提前释放应力。在加工之前，可以先根据不同零件的具体形状的毛胚进行内应力的预释放，其中包括在应力集中区进行释放和在并非应力集中区进行释放，具体的情况需要技术人员根据零件具体的需要来进行操作。3、校正已变形的零件。在加工过程中，如果零件已经发生的变形，那么技术人员可以根据需要的零件形状与已经产生变形的零件的实际情况相结合，然后根据不断的仿真实验做出校正结果，最后通过机械的方法来校正。不过这种方法的缺点便是零件已经进行了一次校正，所以其使用寿命普遍都不太高，在使用过程中工作人员一定要对其进行定期的检查。

航天工业的发展一直是我国重点关注的项目，并且已经在其中取得了较大的成果。而数控机床的使用更是促进了其发展，所以应该更加专注于数控机床与航天工业相结合。当然，其中对于零件加工这一方面不仅仅是零件变形的问题，还有一些不可忽视的问题，比如：机床设备的费用昂贵、维修比较困难等问题。这些问题都需要技术人员大力攻克，以提高数控机床的工作质量和效率。

参考文献：

[1]张群威，陈桂华.数控加工中产品变形控制策略研究[J].南方农机，2020，51（09）：117+128.

[2]孙丽敏，杨彬.航空结构件数控加工变形及其控制策略[J].科技与企业，2013（16）：338.