薄壁类零件加工工艺和应用

唐倩，李金凤，孙造，王盟

（通用技术集团大连机床有限责任公司，辽宁 大连 116600）

0 引言

薄壁零件具有比强度高等特点，在高端制造等领域中得到大量应用。飞机结构框架中大量使用薄壁类零件，如梁类零件及航空发动机盘类零件等，薄壁类零件通常采用切削等加工方式，但在夹紧力及切削振动等因素作用下会产生较大变形，切削加工余量大，对难加工材料加工成本高，传统加工方式难以满足需求。精密的薄壁零件加工技术是现代高科技产业的基础，是制造科技中长期发展规划主要内容。

1 薄壁类零件加工工艺

薄壁类零件是壁厚小于1mm的金属零件，具有节约材料等特点，薄壁类零件用途广泛。但薄壁类零件强度比较弱，对零件加工质量产生影响。薄壁类零件加工主要有切削加工，电加工等方式，由于薄壁类零件刚性较弱，相关研究集中于应力应变研究。

切削加工是薄壁类零件加工常用方式，包括车削等工艺。随着高速切削技术的发展，切削力与切削热大幅度降低，切削加工在薄壁零件加工中有着广泛的应用。工件在切削中会受到切削力等作用发生变形，控制薄壁类零件切削加工精度是研究难点。激光熔覆加工是快速无模加工方式，熔覆材料冷凝后与基材融合，通过后处理完成零件的加工，加工方式具有成本低等优点[1]。由于基材与熔覆材料热膨胀系统不同，界面处易产生较大残余应力，降低工件的性能。电加工中对工件无宏观切削力，有效降低了变形，是目前加工薄壁零件理想的工艺。

电火花切割加工是广泛应用的加工工艺，具有表面质量好等特点，电火花线切割工艺成为薄壁类零件理想加工方式。随着现代飞机制造业的发展，薄壁类零件对加工精度不断提高。电火花线切割不会产生宏观作用力，但会导致热变形影响薄壁类零件直线度误差。制约在薄壁类加工的应用。薄壁类零件数控加工分为粗精加工阶段。粗加工阶段主要对薄壁类零件进行简易加工，需根据零件特点选择适合的加工工艺[2]。半精加工阶段主要对次要表面处理，加工完后将多余部分清除。精加工阶段利用精车零件外圆方式进行细加工。

2 薄壁类零件加工技术发展

薄壁类零件易发生变形，电火花线切割加工研究在加工效果预测等方面取得一定成果，但有动态蚀除过程改变零件刚性，电极丝随机振动对热应力分布影响，制约薄壁零件电火花线切割工艺的应用。目前薄壁类零件电火花线切割变形行为机理研究难点包括加工中蚀除量难以计算，难以实现薄壁类零件热变形补偿，线切割加工中温度分布难以描述等。薄壁类零件热变形对蚀除量非常敏感，目前对蚀除量预测包括实验方法，有限元方法，实验方法优势是预测精度较高，但薄壁类零件热变形是热源移动-热变形动态过程；分子动力学法可准确描述电加工蚀除过程，但分子动力学受到模拟时间无法对实际加工进行计算。有限元法具有较大的一能用范围，但有限元法对蚀除量预测精度较差[3]。对薄壁件电加工蚀除量预测急需精确可靠的计算方法。几何误差控制中通过路径规划实现补偿是常用方法，但无法预测加工中的热变形。由于加工条件决定热变形量，如何根据加工条件实现加工路径动态补偿具有很大挑战性。

曲面薄壁工装发展方向是成形与加工统一化，机床与工装集成化，工装系统与检测系统一体化。实现机床与工装继承表明系统可进行信息交换，表现在工装系统安装传感器装置，控制系统计算相应的变形量；通过机床安装机械手，达到使工件变形量最小布局形态。近年来曲面薄壁变形问题出现先成型加工工艺，但成型后半成品出现回弹，如果成型与加工相结合，可避免工件回弹造成影响。目前航空制造薄壁类零件装配基本靠人工完成，数字化装配技术可提高曲面薄壁装配效率。飞行器曲面薄壁类零件种类多，工装设备数量增多，工装系统智能化要求支撑夹持装置可随曲面薄壁种类变化[4]。

3 薄壁类零件加工影响因素

薄壁类零件具有轻量化优越动态性能，但零件刚性较差，数控加工是机加工的难题，提高加工精度需要分析相关影响因素。加工精度是零件表面实际尺寸等与图纸要求几何参数符合度，主要包括装卡引起工件变形、切削力引起的误差等。

零件变形是影响加工精度主要因素，要提高薄壁零件加工质量，需获得尺寸形状稳定的薄壁零件。装夹质量不合格会造成脱夹等情况，零件加工刚度不符合要求可能导致零件变形。要结合薄壁类零件加工要求合理设置走刀，加工工艺路线影响薄壁类零件加工效率，在设计工艺路线时未充分考虑变形处理等细节问题会影响加工效率，设计工艺路线时需充分考虑细节问题。

航空航天技术综合众多学科，航天产品研发水平反映国家工业化水平，各国飞行器性能要求不断提高，出现复合材料薄壁件的广泛应用。先进的复合材料具有高比强度与低膨胀系数等优点，陶瓷基复合材料是航空航天高温结构材料研究的热点，现代大型飞行器机械机构多采用整体性合金金属，结构相对复杂，零件加工装配易受到外在荷载的影响发生变形。

4 薄壁类零件加工工艺优化

薄壁类零件加工要通过优化仿真加工技术，改进零件装夹工艺，合理优化走刀路径等方法提升加工技术工艺。薄壁类零件加工承受负载列阵雨变形有关，可根据F=KU公式分析零件数控仿真加工工艺，通过调整F零件加工承受负载阵列降低薄壁类零件变形几率，改进零件数控加工工艺[2]。通畅提高零件轻度矩阵可通过选择原材料增强强度，可利用填充物质方式增强原材料强度。按照公式对薄壁类零件加工模拟仿真。零件装夹对薄壁类零件加工工艺有很大的影响，需要研究装夹工艺保证满足要求。要保证零件装夹结构紧凑，在薄壁类零件数控加工中，合理控制零件装夹重心，有效控制惯性力，提高零件加工质量。要合理设置零件装夹刚度，根据薄壁类零件情况选择悬伸长度。要哦提高对平衡问题的重视，配重问题会直接影响零件装夹振动，要合理选择减重孔，减少零件装夹回转受到离心力作用。增强装夹机构耐久性可降低损坏几率，加大零件装夹夹紧力，可避免出现脱夹情况。安装零件装夹需保证与数控机床契合。

合理控制走刀路径有利于优化薄壁类零件加工工艺，应深入研究切削量，在薄壁套走刀加工时根据主轴转动速度，背吃刀量计算走刀路径，根据Ra=f2×50/rg公式计算薄壁套表面粗糙度，明确切削量后规划切削路径，可利用一次性粗加工方法进行加工，使刀具沿XY方向平移运动，提高零件加工精度[5]。需要增大刀具的前后角，技术人员要对加工工序综合分析，找出解决加工工艺中的问题。设计工艺路线需考虑变形情况等细节问题，优化可能出现问题的加工步骤，分析受力情况，避免出现振动情况。

5 结语

薄壁类零件在工业加工中应用广泛，在数控加工中受到切削角度等多种因素影响，需要积极改进加工工艺，保证零件加工质量。薄壁类零件使用传统机械加工方式易造成较大残余应力，电火花线切割工艺加工中无宏观力，但薄壁类零件自身刚性较差，使得线切割工艺难以加工大尺寸零件，由于热变形涉及到蚀除、热力耦合分析等复杂问题，传统定性分析方法难以解释热变形现象。采用数值模拟方式研究可以准确描述电加工过程。本文通过对目前薄壁类零件常用加工方法研究，结合走刀路径、合理选择工艺路线原则等知识，提出高效的加工工艺优化设计方案。随着数控加工技术水平的提高，零件加工工艺也在不断进步。