航空薄壁件加工变形研究现状分析
薄壁类零件数控加工工艺改进分析研究
（ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
代先 进制 造企业 核 心 技 术竞 争 力 的重 要 方 式 ， 也 是
我 国 国家 制造科 学 与技术 中长期科 技发 展规 划 的主
要 内容 。这类 机械零 件在 现代 工业 中的各个 领域 被 广 泛采用 ， 例 如军 工 、 汽车、 航 空航 天等 等 。
１ 薄壁 类零 件加 工精 度影 响 因素 分析
作者简介 ： 王继群（ １ ９ ７ ８一） ， 男， 辽宁康平人 ， 工程硕士 ， 讲师 ， 主要从事数控 机械类专业教学与研究工作 。
第３ 期
王继群 ： 薄壁类零件数控加 工工艺改进分析研 究
３ ５
加 工精 度 是 指 加 工 后 零 件 表 面 的实 际尺 寸 、 形
状、 位 置 的几 何参数 与 图纸 要求 的理想 几何 参数 的符
ｐｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ：ｔ ｈ ｉ ｎ —ｗａ ｌ ｌ ｐａ ｔｓ ｒ ；ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ；ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｍｐｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
０ 引 言
一
直是 机加工 的难题 和研究重点 ， 也 是机 加工企 业非
工艺工序路线， 完成 了对薄壁零件的数控加工工艺的改进 。 关 键词 ： 薄壁 类零 件 ； 切 削参数 ； 工 艺改进
航空零件典型结构加工工艺-薄壁加工
所以钛合金切削要点为低线速度，薄切削层厚度
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3 钛合金薄壁
钛合金薄壁
钛合金薄壁特征加工特点： 1）壁薄腔深（框梁类零件），切屑排除困难，影响冷却润滑效果 2）刚性差，极易产生切削振动，影响加工效率和表面质量 3）切削中让刀严重，影响加工精度，易产生接刀痕 4）易产生加工变形，其毛坯大都为锻造毛坯，加工中随残余应力的
5刃不等齿距： 减震，高进给
加长刃长：一刀切
偏心铲背：增强 刃口强度
加大芯厚：高刚 性不让刀
加大螺旋角：提 高表面粗糙度
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谢 谢！
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释放极易产生加工变形，影响零件精度
钛合金薄壁特征加工要点： a ) 细分工序减小变形,一般为粗→半精→精，甚至可以多次半精，必
要时每个半精后辅以修基准面 b ) 精光一刀消除接痕和让刀
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3 钛合金薄壁
工艺方案
粗加工：粗加工留余量3mm单边
缘条、筋条加工 –框梁类零件
半精加工：如右图分层加工每个框格，给精加 工留余量约0.5~0.2mm；零件变形大时可以多留 余量多次半精，必要时每个半精后辅以修基准面
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1 薄壁特征
例2— 平尾对接肋和缘条： 特点为独立立筋–这类立筋两头不靠，长度长，高度与壁厚比值大，
因此强度更低，极易发生振动和变形
立筋
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1 薄壁特征
例3— 壁板：壁板外表面结构较为简单，一般为少量下陷、槽、孔、 台阶等；壁板内表面较为复杂，通常有槽、斜面、下陷、台阶、结构 孔等结构
3 钛合金薄壁
刀具
方肩铣刀-MEB190系列 用途：半精侧壁、腹板 特点： • 切削力小-大前角大后角，刃口锋利 • 真90°侧壁-曲线刃设计 • R0.4~R3底角-适应各种底角需求
ZL105HB963--2005大型航空铝薄壁筒形零件车削工艺
ZL105 HB963--2005大型航空铝薄壁筒形零件车削工艺ZL105 铝合金，由于合金中铜元素的存在，使塑性和耐蚀性降低。
该合金具有良好的铸造性能和较高的气密性，切削加工性和焊接性能均良好。
但是薄壁筒形零件的车削加工一直是比较棘手的问题。
原因是薄壁桶形零件本身壁薄、刚性差、易变形、加工难度大；切削热多、散热困难，导致刀具切削刃温度高、切削粘附刃口严重、容易产生积屑瘤，既降低了了刀具寿命，又影响了表面加工质量；大型薄壁工件翻转吊运时易产生变形，影响工件质量。
1、影响加工精度的不利因素。
ZL105铝合金的化学性能。
其化学成分有：硅、铜、镁、铝、铁、锰、锌、钛、稀土、锡、铅等元素。
铝合金材料强度硬度较低，塑性小，对刀具磨损小，且导热较高，切削温度极低，所以切削加工性能好，属于易加工材料，适合高速切削。
但是铝合金熔点低，温度升高后塑性增大，在高温高压作用下，切削界面摩擦力很大，切削热多、散热困难，容易粘刀形成积屑瘤。
（1）铝合金特点一是材料软，刚性差；二是弹性模量低；显著影响铝合金的切削加工性。
因此，在加工铝合金工件时，必须充分的夹紧和支撑工件。
工件夹持不牢靠而引起振颤时，刀具在工件表面作间隙式的磨蹭，发生积压现象和粉状切削；当间隙或弹性消失时，刀具就咬啃工件的表面，产生槽痕。
（2）易变性薄壁筒形的外径为940mm，长度1605mm,壁厚10mm。
（见图一）刚性差、强度低、易变性、易振动等特点。
工件体积大、外形特别增加辅助工装困难。
该零件的最大瓶颈是如何控制变形、受热变形、内应力释放产生的变形三方面。
（3）工件加工面较长为1.605米，机床的有效行程为1.15米，超出机床加工范围，圆弧面无法加工。
通过对零件结构及材料特性的分析，得知内外圆的精加工以及圆弧面加工是该零件的加工难点，如何有效控制加工变形是解决加工问题的重要措施。
为提高加工效率、保证加工质量，从工艺总体方案，工艺系统刚度、装夹方法、刀具材料及参数、切削参数及冷却方法等方面。
减材制造与增材制造
顶面的加工，主要受筋顶面各面 类型的影响，通常需要考虑有如 下一些通用的原则： （1）爬坡原则：尽量实现从筋 顶面较低处向筋顶面较高处进行 加工，方便排屑，减少刀具摩损。 平底刀侧刃加工，适合自下往上 加工零件，当运动轨迹自上往下 时，刀具底部将参与切削，而平 底刀底部的切削能力较弱，容易 损伤刀具和工件。
2.3 带筋件的分析
5 筋所处位置情况的不同对筋加工的影响 5
位于外轮廓上的筋的加工和在结 构件内部的筋的加工有所不同。 轮廓上的筋的加工，除了受筋自 身类型、形状的影响，通常还受 装夹方案、工艺凸台位置以及轮 廓面精度要求等因素的影响。按 筋在飞机结构件中的位置的不同， 如图，可分为下列3种情况： a. 筋在槽之间 b. 筋在槽之内 c）筋在轮廓上
（筋（立交b，c。筋） ）其，在筋 筋一通民一 两端常用端 端与位飞无 都其于机连无它槽结接连特腔构支接征内件撑支相部中撑。交，，该。，不此类 该另与类筋 类槽 筋一又 筋腔 还端称 又壁 常无开 称面 分连口 独相 布接。 （ 件 间 它a或中 特）， 处征筋此 于相两轮类交端廓筋，都上最强有，多度连，两相接它端对支一都较撑般与大。位其。在于它飞槽筋机腔或结之其构 于轮廓上，成耳片状，又称耳片筋。
航空制造业总体特点
构件特点
带筋件的分析 自由曲面
1.1 航空制造业总体特点 1 大量采用自由曲面形式
6
从形式的角度，为了到良好的气动性能，结构上大量采用自由曲 面形式，其准确成型难度较大。
我们在钣金车间参观了部分军机的钣金复杂曲面的成型过程
2.1 航空制造业总体特点 2 较多形成各种复杂型腔
6
某型战斗机构件型腔图
2.3 带筋件的分析
3 筋顶面对筋加工的影响 5
航空钛合金薄壁件加工工艺
（ ５ ） 因钛 合 金 亲 和性 大 ，切 削 温 度 高 等 原 因 ，
切 削 时 粘 刀 现 象 严 重 ，在 切 削 过 程 中 会 引 起 粘 结 磨损。
因此 ，钛 合 金 薄 壁 件 加 工 过 程 中会 出 现 切 屑 、
图 １ 圆筒
断屑 、排屑 ，故 防止加 工零 件 的扭 曲变 形等 就更 难 。
纹， 从 而 避免 了螺 纹 加 工 时 不 能 修 调切 削 参数 的 弊
端 ，提高 了加 工 工 件 的质 量 。 同 时 ，在 螺 纹 加 工件
测试 出系统 响 应 时 间 ，才 能利 用 公 式 任 意 改 变 转 速
加工 螺纹 。
重新 上机 床 后 ，先 使 用 几 十转 低 速 校 正 螺 纹 刀 ，再 提 高转速 进 行 螺 纹 切 削 ，很 好 地 解 决 了 数 控 车 床 螺 纹加 工件 重 新 上 机 床 的返 修 加 工 难 题 ，有 力地 取代
４ ．结 语
采用 螺 纹牙 距 补偿 公 式 △ ｚ＝Ｐ （ Ｓ 一ｓ ）ｔ ／ ６ ０
了普通机 床 加 工 螺 纹 的 优 势 ，为 数 控 车 床 螺 纹 加 １ 二 调节 提供 了一 种简单 实用 的方 法 。ＭＷ （ 收稿 日期 ：２ ０ １ ３ ０ ８ ２ ３ ）
的应 用 ，可 以在加 工 螺 纹 时使 用 大范 围的 转速 变 化 ；
安排精加工之前的余量需要 大于 ０ ． １ ５ ｍ ｍ，让所给的
余 量大 于硬 化 层 深 度 ，消 除 硬 化层 存 在 影 响 零件 的
后续加 Ｔ 。在精 加 工 前 的 半 精 加 工 中将 影 响 后续 加 Ｔ 的零 件尺 寸 、表 面 形状 、相 互 位 置及 表 面粗 糙 度 ， 应力进 一步 释 放 出来 。另 外 通 过 相应 的 工 艺 手段 将
激光加热辅助车削高温合金薄壁件变形仿真及试验研究
激光加热辅助车削高温合金薄壁件变形仿真及试验研究作者：孔宪俊刘世文侯宁郑耀辉王明海来源：《航空科学技术》2024年第02期摘要：机匣件作为航空发动机的重要零部件，是一种典型的薄壁件，其尺寸大、壁薄以及刚性低等特点使得在加工过程中容易发生工件变形、刀具震颤，造成加工精度不达标，以及加工表面质量差等问题。
本文建立高温合金常规车削与激光加热辅助车削模型，并通过试验验证了模型的准确性。
模型最大误差为10.1%，最小误差为5.5%，平均误差为7.8%，处于可接受范围。
然后建立常规车削与激光加热辅助车削薄壁件模型，研究激光加热辅助车削对薄壁件变形的影响。
研究结果表明，与常规车削相比，当激光照射温度达到650℃以上时，激光加热辅助车削切削力分别下降了20.2%、19.8%和15.2%。
激光加热辅助车削能够降低车削薄壁件过程中的加工变形。
与常规车削相比，激光加热辅助车削薄壁件时，加工变形量分别降低了15.6%、12.7%和13.3%。
关键词：激光加热辅助车削；高温合金；薄壁件中图分类号：V261.8 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.02.009基金项目：航空科学基金（2019ZE054005）；中国航发自主创新基金（ZZCX-2019-019）；沈阳市科技局计划项目（RC210439）镍基高温合金由于其卓越的高温强度、抗氧化、抗热腐蚀，以及抗疲劳等综合性能，已成为航空发动机薄壁件的关键材料[1-2]。
航空发动机机匣件作为一种典型的薄壁件[3]，拥有尺寸大、壁薄以及刚性低等特点。
而且由于高温合金自身高强度的特点，加工高温合金时易产生高切削力和高切削温度，因此，在加工高温合金薄壁件过程中容易发生工件变形、刀具震颤，造成薄壁件加工精度不達标以及加工表面质量差[4]。
因此，研究薄壁件加工时产生的切削力，对提高薄壁件的加工精度和表面质量具有重大意义。
卫星驰等[5]针对薄壁件铣削时工件变形导致铣削力预测不准确的问题，建立了一种考虑工件变形的铣削力预测模型，并进行了试验验证，试验结果表明模型误差小于4.42%。
铝合金薄壁环形件研磨方法研究
通过上述分析可知，造成研磨后的零件质量不稳定的因 素归纳起来主要有以下 3 点 ：
（1）零件研磨过程中所受的压紧力分布不均 ； （2）每个零件在研磨时所受的压紧力大小不固定 ； （3）每个零件的研磨时间不固定。 1. 优化研磨压紧工装 本试验新工装设计时采用了 6 点压紧结构，该结构在工 装自重的作用下将压紧力均匀地施加在各个脚点上，进而实 现了零件的均匀受力，该工装在砝码的重力作用下，将压紧 力均匀施加在 4 个脚点上。由于是点受力，即便零件上端面 平面度状态不好，也不影响研磨时零件的均匀受力。 2. 优化研磨压紧力 压紧力的大小可以通过放置在夹具上的砝码数量来进 行调整。针对相同零件，在相同的研磨时间下，调节工装上 砝码的数量，观察不同压紧力下零件的研磨质量，从而得到 最优压紧力。 3. 优化研磨时间 与优化压紧力的方法相似，针对相同零件，在相同的压 紧力下，调整零件的研磨时间，观察不同时间下零件的研磨 质量，从而得到最优研磨时间， 好 一般
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工业技术
2017 NO.12（下） 中国新技术新产品
配网10kV线路供电可靠性优化措施研究
张华 （国网四川省电力公司乐山供电公司，四川 乐山 643000）
摘 要 ：随着我国经济的发展，在工业生产和人们的日常生活中对于电力的需求都越来越大。如何优化配电网络，
然而到目前为止，研磨的具体操作方法、压紧力的大小、 加工的时间、下屑量的控制等主要工作指标各生产厂也不尽 相同。因此，对铝合金薄壁环形件研磨方法的研究就显得极 其重要。
１． 研磨中常见问题及分析
研磨通常情况下由钳工来完成加工，操作者首先将煤油 与金刚砂的混合物涂覆在转动的研磨盘上 ；待混合物延展均 匀后将零件平稳地放置在旋转的研磨盘上，双手压紧零件， 并沿着研磨盘旋转方向做圆周运动进行研磨。待一定时间后 研磨完毕，取下零件并进行清洗及测量。测量时若发现零件 的研磨状态未能达到图纸规定的技术要求，则需重新研磨， 直至满足图纸要求。
浅谈薄壁零件的加工
浅谈薄壁零件的加工文章以典型薄壁零件在三轴机床上的加工为例，探讨薄壁件在数控铣加工过程中存在的易变形、工件尺寸及表面粗糙度不易控制等技术问题，对加工难点要点进行分析，给出了工艺路线和加工方案，通过优化、完善夹具及装夹方法，优化加工参数，优化加工工艺从而有效解决薄壁件的加工精度和批量加工的尺寸稳定的难题，为其它同类薄壁零件的加工提供借鉴。
标签：薄壁；装夹；工艺方法；加工参数；变形1 概述在数控加工中，薄壁零件因其自身具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点在航空航天、通讯、国防等各个领域产品中得到了越来越广泛的应用，而薄壁零件因其壁薄、刚性差、易变形加工困难也成了同时需要面对的棘手问题，由于薄壁零件自身的特点，在实际加工中不易达到设计的形位公差要求，其加工工艺较为繁复，编程、加工需要注意的细节较多，实际操作较为复杂。
作者针对这类薄壁零件以曾经加工过的一批零件为例介绍薄壁件的加工方法、夹具使用、刀具选用、参数选择及编程要点等。
此零件使用MasterCAM 9.1编程，在FANUC系统三轴机床上加工完成。
数控加工薄壁零件时，零件因刚度不足引起的加工变形成为影响尺寸精度的主要矛盾。
为了提高零件尺寸的稳定性，对于薄壁零件的加工必须从工艺安排、夹具设计、设备选择、刀具选择、加工参数选择、程序编制等方面进行综合考虑，以解决零件在反复装夹后保证零件的加工精度的问题。
下面通过具体实例来介绍薄壁件的加工。
2 实例零件加工2.1 示例零件特点实例零件（如图2）为不久前加工的某型号产品光学系统的前镜头板，共45件，材料为L Y12铝板，下料尺寸为185mm*130mm*15mm，转入本工序时已经经过粗加工及时效工序，粗加工后余量为单面1.5mm，零件变形较大约为1mm-1.8mm。
从图2中可以看出，零件形状并不复杂，多为平面、台阶，但零件外形尺寸较大，由于中部为D形空腔，其有效截面积很小，并且截面面积变化较大不均匀。
对于数控加工来说，此零件的尺寸公差较大，除注意选择合适的加工参数外，在编程上基本没有什么难度。
基于ANSYS薄壁零件铣削加工变形仿真研究
㊀第２期２０１９年４月机电元件ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＶｏｌ ３９Ｎｏ ２Ａｐｒ ２０１９㊀收稿日期:２０１８－１２－１４综述与简介基于ＡＮＳＹＳ薄壁零件铣削加工变形仿真研究周建华ꎬ刘㊀志(贵州航天电器股份有限公司ꎬ贵州贵阳ꎬ５５０００９)㊀㊀摘要:针对薄壁零件(一边固定ꎬ其他边自由的矩形)铣削加工变形问题ꎬ利用经验公式建立了其静态铣削力预测模型ꎮ同时ꎬ在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５软件环境下ꎬ结合实际加工参数ꎬ研究了在给定铣削力作用下ꎬ铣刀切削位置和零件壁厚对加工变形产生的影响ꎬ并得出其加工变形规律及预防措施ꎬ为该类零件的加工提供理论依据和技术支撑ꎮ关键词:薄壁零件ꎻ加工变形ꎻ铣削加工ꎻ有限元分析Ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００－６１３３.２０１９.０２.０１６中图分类号:ＴＮ７８４㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１０００－６１３３(２０１９)０２－００６０－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｉｌｌｉｎｇＭａｃｈｉｎｉｎｇＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＴｈｉｎ－ＷａｌｌｅｄＰａｒｔｓＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＺＨＯＵＪｉａｎｈｕａꎬＬＩＵＺｈｉ(ＧＵＩＺＨＯＵＳＰＡＣＥＡＰＰＬＩＡＮＣＥＣＯ.ꎬＬＴＤ.ꎬＧｕｉｚｈｏｕＧｕｉｙａｎｇ５５０００９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｆｏｒｔｈｅｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄｐａｒｔｓ(ｏｎｅｓｉｄｅｆｉｘｅｄａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｓｉｄｅｆｒｅｅｒｅｃｔａｎｇｌｅ)ｍｉｌｌｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍꎬａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃｍｉｌｌｉｎｇｆｏｒｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｅｍｐｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａ.ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｗｈｉｃｈｕｎｄｅｒｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５ｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｍｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｅｒｃｕｔｔｉｎｇｐｏ￣ｓｉｔｉｏｎａｎｄｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒａｇｉｖｅｎｍｉｌｌｉｎｇｆｏｒｃｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈａｃｔｕａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.Ａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌａｗａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｔｈｅｓｅｐａｒｔｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｔｈｉｎ－ＷａｌｌｅｄＰａｒｔｓꎻＭａｃｈｉｎｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎻＭｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇꎻＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ１㊀前言由于薄壁零件具有重量轻㊁强度高㊁造型美观等优点ꎬ被广泛应用于航空航天㊁汽车等各种领域中ꎬ但是由于自身结构特点ꎬ其刚度较低ꎬ加工余量大ꎬ加工工艺性较差ꎬ在切削加工过程中很容易发生变形ꎬ这严重影响着其加工表面质量[１]ꎮ因此ꎬ对其加工变形的原因及变形规律进行研究尤为重要ꎮ为了更直观地㊁更准确地对薄壁零件(一边固定ꎬ其他边自由的矩形)铣削加工变形进行研究和控制ꎬ本文结合了其自身结构特点和实际加工参数ꎬ利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５仿真平台对薄壁零件铣削加工变形规律进行数值仿真研究ꎬ并在此基础上提出了相应的预防措施ꎬ为进一步进行薄壁零件的数控补偿加工和切削参数的优化提供研究基础ꎮ２㊀变形机理分析２.１㊀零件结构分析如图１所示ꎬ该薄壁零件材料为２ＡＬ２铝合金ꎬ外形尺寸为１０４ｍｍˑ５０ｍｍˑ２ｍｍꎮ由于在铣削加工过程中ꎬ其厚度方向上的尺寸慢慢接近于２ｍｍ时ꎬ导致零件刚度也随之逐渐变低ꎬ待铣削加工结束后ꎬ能较直观地观察到薄壁零件发生明显的弯曲变形ꎬ严重影响其加工表面质量ꎮ图１㊀薄壁零件铣削加工示意图２.２㊀加工变形影响因素分析在薄壁零件铣削加工过程中ꎬ导致其变形加工的因素有很多ꎬ比如:毛坯材料属性㊁零件结构㊁切削参数及刀具参数等ꎬ其中零件受力发生变形是影响其加工变形最为显著的因素ꎮ此外ꎬ零件内部的残余应力及热变形等也是影响其加工变形的重要因素[２]ꎮ针对如图１所示的薄壁零件变形问题ꎬ假设不受其他因素的影响ꎬ本文在此重点对其受到铣削力的作用下的变形问题进行研究ꎮ３㊀铣削力预测模型的建立虽然国内外很多学者对铣削力预测模型做了大量的研究ꎬ试图获得与实际铣削加工过程中铣削力变化一致的数学模型ꎬ但是铣削加工是一个复杂的过程ꎬ无法获得较为准确的数学模型ꎮ在实际工程应用中ꎬ一般用试验获得的经验公式对铣削力进行数学建模ꎬ经验公式用来表达金属切削过程中各种现象与切削因素的关系ꎬ包括刀具㊁工件材料㊁切削参数等因素的影响ꎮ针对如图１所示的薄壁零件进行加工变形研究ꎬ选用顺铣的方式进行加工ꎬ并结合实际加工过程中其余相关参数ꎬ则通过查阅机械加工工艺手册获得其铣削力为(由于在ｘ㊁ｚ方向上的切削力对加工变形产生的影响较小ꎬ可忽略[２])Ｆｙ＝１４ˑ１１８ˑａｐ１ˑｆ０.７５ｚˑａ０.８５ｅˑＺˑｄ－０.７３ˑｎ－０.１ˑ０.８＝６２Ｎ式中:ａｐ 轴向切深ꎬａｐ＝１５ｍｍꎻｆｚ 每齿进给量ꎬｆｚ＝０.２ｍｍ/ｚꎻａｅ 径向切深ꎬａｅ＝１ｍｍꎻＺ 刀具齿数ꎬＺ＝８ꎻｄ 刀具直径ꎬｄ＝１２ｍｍꎻｎ 主轴转速ꎬｎ＝３０００ｒ/ｍｉｎꎮ４㊀有限元仿真分析４.１㊀ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的优势ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ与经典ＡＮＳＹＳ相比ꎬ其优势较为明显:支持与ＡＮＳＹＳ系统求解器的进行交互ꎬ集成了ＡＮＳＹＳ旗下的大部分软件ꎬ可以将不同模块组合ꎬ进行数据交换ꎬ方便工程应用ꎻ与ＣＡＤ软件能实现无缝连接ꎬ不会出现像经典ＡＮＳＹＳ那样造成三维模型数据丢失㊁干涉等问题ꎻ此外ꎬ其操作界面更加人性化ꎬ能让人很快熟悉其操作ꎬ从而提高实际工程问题的仿真效率[３]ꎮ针对以上优势及现有条件ꎬ本文选用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５的仿真平台对薄壁零件铣削加工变形进行仿真研究ꎮ４.２㊀总体仿真方案分析在给定铣削力的条件下ꎬ对薄壁零件铣削加工变形的主要因素有:铣刀切削位置(刀具进给方向和刀具轴向方向)㊁壁厚ꎬ本文采用单一变量原则ꎬ分别对上述因素进行仿真研究ꎬ其总体仿真方案如图２所示ꎬ其中结构分析类型采用结构静力分析来对薄壁零件铣削加工变形进行计算ꎻ输入参数为工１６㊀第２期周建华等:基于ＡＮＳＹＳ薄壁零件铣削加工变形仿真研究件材料属性ꎬ即２ＡＬ２铝合金材料的属性ꎬ其弹性模量为２８０ＧＰａꎬ泊松比为０.３３ꎬ屈服强度为３２６ＭＰａꎬ切变模量为２６ＧＰａꎻ网格划分采用默认ｓｏｌｉｄ１８６单元进行分析ꎻ由于铣削力通过沿刀具螺旋线方向均布施加在工件上ꎬ同时切削刃与工件接触长度较短ꎬ因此载荷可近似当作是线性载荷[４]ꎮ图２㊀总体仿真方案４.３㊀铣刀切削位置对加工变形的影响(１)载荷在刀具进给方向变化时的影响在研究该因素的影响时ꎬ假设铣刀在刀具轴向方向始终为ｚ＝３５~５０ｍｍꎬ则施加在工件上的线载荷可通过计算为４１３３Ｎ/ｍｍꎮ而在ｘ方向上分别取ｘ＝０ｍｍꎬｘ＝８ｍｍꎬｘ＝１６ｍｍꎬｘ＝２４ｍｍꎬｘ＝３２ｍｍꎬｘ＝４０ｍｍꎬｘ＝４８ｍｍꎬｘ＝５６ｍｍꎬｘ＝６４ｍｍꎬｘ＝７２ｍｍꎬｘ＝８０ｍｍꎬｘ＝８８ｍｍꎬｘ＝９６ｍｍꎬｘ＝１０４ｍｍ的位置上分析工件的变形情况ꎮ当ｘ＝０ｍｍ时ꎬ工件的变形及等效应力云图如图３和图４所示ꎬ从图中可看出其最大变形量为０.２６ｍｍꎬ最大应力为１０８.７８ＭＰａꎮ分别求出上述位置薄壁零件的最大变形量ꎬ其变形量如表１所示ꎬ利用ＭＡＴＬＡＢ软件绘制出载荷在刀具进给方向移动时的薄壁零件的变形曲线ꎬ如图５所示ꎮ图３㊀ｘ＝０时工件的变形图４㊀ｘ＝０时工件的等效应力云图表１㊀载荷在刀具进给方向移动时的变形数据㊀㊀㊀位置变形量ｘ＝０ｘ＝８ｘ＝１６ｘ＝２４ｘ＝３２ｘ＝４０ｘ＝４８ｘ＝５６ｘ＝６４ｘ＝７２ｘ＝８０ｘ＝８８ｘ＝９６ｘ＝１０４变形量/ｍｍ０.２６０.２２０.１８６０.１５３０.１３６０.１２８０.１２４０.１２８０.１２８０.１３６０.１５３０.１８６０.２２０.２６２６机电元件２０１９年㊀图５㊀载荷在刀具进给方向移动时的薄壁零件的变形曲线㊀㊀由图５中可知ꎬ载荷在刀具进给方向移动时的薄壁零件的变形曲线近似是一个对称轴为ｘ＝５２ｍｍ的抛物线ꎬ在ｘ＝０和ｘ＝１０４处变形量值最大ꎬ而在ｘ＝５２处变形量最小ꎬ这主要是因为受到工件材料自身的约束作用ꎬ在加工薄壁零件两边时很容易发生较大的变形ꎬ而在中间位置时不易发生变形ꎮ(２)载荷在刀具轴线方向变化时的影响在研究该因素的影响时ꎬ假设铣刀在ｘ＝１６ｍｍ的方向上保持不变ꎬ而在ｚ方向分别为取２０~３０ｍｍ㊁２５~３５ｍｍ㊁３０~４０ｍｍ㊁３５~４５ｍｍ㊁４０~５０ｍｍ的位置处来分析工件的变形情况ꎮ同理ꎬ根据载荷在刀具进给方向变化时的影响的分析方法ꎬ逐一对上述位置进行仿真分析ꎬ将得到工件的最大变形量ꎬ如表２所示ꎬ然后利用ＭＡＴＬＡＢ软件绘制出载荷在刀具轴线方向变化时的影响曲线ꎬ如图６所示ꎮ从图６中可看到ꎬ载荷在刀具轴线方向变化时的影响曲线近似是一条直线ꎬ呈递增方式增大ꎬ当加工ｚ＝４０~５０ｍｍ处工件变形量最大ꎬ其值为０.１５ｍｍꎮ因此ꎬ在加工过程中ꎬ为了避免产生较大变形ꎬ提高加工效率ꎬ可以采用分层加工的方法ꎬ根据加工不同层选用不同的加工参数ꎬ使零件的变形量控制在一定的范围内ꎮ表２㊀载荷在刀具进给方向移动时的变形数据㊀㊀㊀㊀位置变形量ｚ＝２０ｚ＝２５ｚ＝３０ｚ＝３５ｚ＝４０变形量/ｍｍ０.０５８０.０８０.１０２０.１２６０.１５图６㊀载荷在刀具轴线方向变化时的影响曲线４.４㊀零件壁厚对加工变形的影响假设铣刀在ｘ＝１６ｍｍꎬｚ＝３７~５０ｍｍ处保持不变ꎬ分别取工件壁厚为１.４ｍｍ㊁１.６ｍｍ㊁１.８ｍｍ㊁２ｍｍ㊁２.２ｍｍ㊁２.４ｍｍ㊁２.６ｍｍ来分析壁厚对零件加工变形的情况ꎮ在ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５中逐一对上述情况进行仿真得到零件变形量ꎬ如表３所示ꎬ然后利用ＭＡＴＬＡＢ软件绘制出壁厚对加工变形的影响曲线ꎬ如图７所示ꎮ图７㊀壁厚对加工变形的影响曲线３６㊀第２期周建华等:基于ＡＮＳＹＳ薄壁零件铣削加工变形仿真研究表３㊀壁厚变化的变形数据㊀㊀㊀㊀壁厚变形量１.４１.６１.８２２.２２.４２.６变形量/ｍｍ０.５３９０.３６２０.２５４０.１８６０.１４０.１０８０.０８５㊀㊀由图７可知ꎬ在相同载荷下ꎬ薄壁零件的最大变形量与其壁厚近似成反比关系ꎬ随着壁厚值的增大ꎬ零件越不容易产生变形ꎬ这主要是因为随着壁厚值的增加ꎬ零件的刚度值也随着增大ꎬ故越不容易产生变形ꎮ５㊀结论结合实际加工参数ꎬ利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ１４.５软件对薄壁零件铣削加工变形进行了数值仿真分析ꎮ通过仿真结果可以看出ꎬ在给定静态铣削力作用下ꎬ壁厚的变化对变形的影响很大ꎬ铣刀切削位置的变化对变形的影响也较大ꎮ因此ꎬ在满足加工质量的前提下ꎬ应适当增加薄壁零件的刚度ꎬ采用分层加工和数控补偿技术的方法进行加工ꎬ为进一步对其他影响薄壁零件加工变形的因素展开研究具有重要意义ꎮ参考文献[１]㊀王晓健.基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的薄壁件加工工艺优化[Ｊ].机械工程师ꎬ２０１７ꎬ５:１５０－１５１. [２]㊀田庆.铝合金薄壁零件铣削加工仿真分析与试验研究[Ｄ].上海交通大学ꎬ２０１４.[３]㊀喻永巽.ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的应用现状及分析[Ｊ].机电工程技术ꎬ２０１４ꎬ９(４３):１３８－１４０.[４]㊀黄志刚ꎬ柯映林.飞机整体框类结构件铣削加工的模拟研究[Ｊ].中国机械工程ꎬ２００４ꎬ１５(１１):９９１－９９５.(上接第５９页)４.２.３㊀全输出矩阵全输出矩阵是指在同一时刻任何输入端均可连接到所有输出端ꎮ通常在每个输入端设置一个功分器ꎬ并在每个输出端设置一个单刀多掷射频同轴继电器ꎮ一般地ꎬ全输出矩阵与多通道矩阵具有相同的能力ꎬ只是增加了输出能力而已ꎮ如图８所图８㊀全输出３ˑ３矩阵示全输出矩阵示意图ꎮ全输出矩阵由于增加功分器会下降插损和隔离指标ꎬ所以通常在所有输出端增加放大器来补偿和改善插损和隔离指标ꎮ５㊀结论射频同轴继电器由于宽带性能宽㊁传输功率高㊁射频性能优异㊁隔离度好㊁易组装且应用广泛ꎬ而成为最主要且最经典的射频开关类型ꎮ射频微波㊁通信㊁军事㊁航空航天等主要应用领域的快速发展ꎬ对传统射频同轴继电器产生了重要影响ꎬ使经典的射频同轴继电器出现新的特点和趋势:小型化㊁高性能㊁高可靠㊁集成化㊁防静电放电㊁抗无源互调(ＰＩＭ)等ꎮ这些趋势值得我们关注研究ꎬ以此把握技术发展的脉搏和市场发展的方向ꎮ４６机电元件２０１９年㊀。
浅谈薄壁零件数控车加工工艺分析
浅谈薄壁零件数控车加工工艺分析摘要：伴随着我国科技技术与经济水平的飞速发展，很多行业也都在此背景下发展起来。
在零件质量和加工工艺方面，社会对其有了更高的要求。
在计算机技术的不断革新下，数控技术得到了飞速的发展。
基于这一点，薄壁零件的生产与应用得到了很大的发展。
但是，目前国内外对其加工工艺的研究还不够深入，加工质量很难保证。
在此基础上，文章重点对薄壁零件数控车工加工工艺进行了研究。
关键词：薄壁零件；数控车加工；加工工艺；改进措施1.薄壁零件的概念薄壁零件主要是通过现代数控车床工艺，使零件的内壁和外壁变薄，以达到节省材料的目的。
薄壁零件由于具有良好的机械性能而被广泛应用于航空航天、军事和机械等诸多领域。
在加工薄壁零件时，对加工精度的要求越来越高，而加工时产生的变形会严重地影响产品的质量与生产效率。
所以，对于薄壁零件，必须采用比较严格的工艺，才能确保其质量及合格率。
2.薄壁零件数控车加工工艺质量的影响因素2.1刀具角度对切削量的影响实验结果表明，当机床机构及刀具几何参数一定时，切削力的大小受到切削速度、进给速度和反向进给等因素的影响。
刀具角度是影响加工质量的重要因素。
在切削时，适当增大刀具前角和后角，可有效减小切削变形、降低摩擦、弱化切削作用力，使切削变形达到最大程度。
此外，主偏角和副偏角对切削精度的影响也很大。
在切削时，副偏角对刀具轴向和径向力均有影响。
对于刚性较差的零件，主偏角应尽量接近90度，这样才能提高零件的数控加工强度和加工精度。
2.2走刀方式与路径的影响刀具的走刀方式与路径对零件的数控车加工也有很大的影响，改进刀具的走刀方式与路径，可以有效地提高零件的数控车加工精度。
通过对走刀轨迹及走刀方式的优化，可使工件质量得到明显提高。
其中，一次粗加工法和阶梯粗加工法是一种新的、高效的零件粗加工工艺。
两种方法均沿高线轨迹，并以等量的切削量为切入点。
它克服了常规刀具路径在斜向上加工时存在的缺陷。
此时，刀具沿高线X和 Z两条高线水平运动，将多余的刀具去除，保证了刀具切削过程中均匀地切削多余的金属、延长了刀具的使用寿命，提高了加工质量。
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Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2019, 8(5), 401-407 Published Online October 2019 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/met https://doi.org/10.12677/met.2019.85046
文章引用: 于金, 王胤棋. 航空薄壁件加工变形研究现状分析[J]. 机械工程与技术, 2019, 8(5): 401-407. DOI: 10.12677/met.2019.85046
Research Status of Machining Deformation in Aeronautical Thin-Walled Parts
Jin Yu1, Yinqi Wang2 1School of Mechatronic Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang Liaoning
2Shenyang Aircraft Industry (Group) Co. Ltd., Shenyang Liaoning
Received: Sep. 26th, 2019; accepted: Oct. 10th, 2019; published: Oct. 17th, 2019
Abstract Machining deformation control of thin-walled parts was an important issue in modern aviation manufacturing industry. The main cause of the deformation in thin-walled parts were the initial residual stress in roughcasts, clamping system, cutting force and heat, process plan and processing parameters as well as cutting tools, machine tools, etc. Depending on the time of use, the existing methods of machining deformation control were divided into three stages. The principle, present situation and characteristics of machining deformation control methods in each stage are ana-lyzed and summarized.
Keywords Thin-Walled Parts, Processing Deformation, Research Status
航空薄壁件加工变形研究现状分析 于 金1，王胤棋2 1沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳
2沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳
收稿日期：2019年9月26日；录用日期：2019年10月10日；发布日期：2019年10月17日
摘 要 薄壁件加工变形控制是现代航空制造业的重要课题。造成薄壁工件加工变形的主要原因是毛坯初始残余应力、装夹系统、切削力与切削热、工艺方案和加工参数以及刀具、机床等。依据采用时间的不同，将于金，王胤棋 DOI: 10.12677/met.2019.85046 402 机械工程与技术
现有加工变形控制方法分成三个阶段，分析总结了各阶段加工变形控制方法的原理、现状和特点。 关键词 薄壁件，加工变形，研究现状
Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言 现代飞机大量采用整体薄壁结构件，减少了零件总数，这给飞机带来很多好处[1]：(1) 零件总数大大减少；(2) 机体重量减轻；(3) 装配工作量减少；(4) 零件的装配质量提高；(5) 机体结构效率成倍提高。但是，在其加工中，由于零件本身刚度不足和残余应力、切削力和装夹力等多因素的相互作用，导致零件出现局部及整体外轮廓变形，这对生产效率和产品精度影响严重，已成为航空制造业关键技术难点之一。本文以航空整体薄壁件为研究对象，结合多年的研究结果，在简单分析加工变形影响因素的基础上，综合分析了目前各种控制加工变形的方法。 2. 加工变形影响因素分析[2] [3] [4]
导致变形的原因有很多，如图1所示：(1) 毛坯残余应力的存在。工件加工过程中余量不断去除，内部残余应力会不断释放和重新分布，从而引起零件外轮廓的整体变形，这是薄壁件加工变形的主要原因之一。(2) 夹具系统。薄壁件壁薄、刚性差，装夹时会产生较大的弹性变形，加工结束后装夹力释放，其产生的局部变形将显现，最终影响工件的尺寸精度、形状和位置误差。(3) 刀具[5]。刀具会产生切削力、切削热，并在加工表层留下切削残余应力。在切削力的作用下，工件一方面会发生弹塑性变形，另一方面还将回弹，产生“让刀”现象, 对于薄壁部分，“让刀”对加工精度的影响非常大。刀具切削中发生的弹性和塑性变形及各种摩擦产生大量切削热，造成工件各部位的温度不均，使其发生热变形。(4) 工艺方案。工艺安排、使用的工艺方法和加工参数对加工变形都会产生较大影响，必须进行优化。
Figure 1. Factors affecting processing deformation 图1. 影响加工变形的因素 于金，王胤棋 DOI: 10.12677/met.2019.85046 403 机械工程与技术
3. 加工变形控制 薄壁件加工变形控制可在不同的加工阶段进行：切削加工前、加工中和加工后。加工前的控制方法主要是消除毛坯的内应力，加工中要注重机床、刀具和装夹的合理选择和使用，确定合理的加工方法、工艺方案和加工参数，力争减少加工中产生的局部变形，加工后主要采用合理的校正措施，减少整体变形。 3.1. 加工前变形控制
(一) 深冷处理 毛坯残余应力消除的方法主要有时效退火、预拉伸、深冷处理和振动时效。图2为深冷温度变化图。
Figure 2. Temperature change diagram for sub-zero treatment 图2. 深冷处理温度变化图
首先加热工件到一定温度，然后利用液态氟冷却剂，采用气化潜热快速冷却，并保持一段时间，这种急热急冷的过程会使工件局部微观塑性变形，松弛残余应力。急热急冷的温差越大，产生的微观应力越大，消除残余应力的效果越好。深冷处理降低了材料内部残余应力，使材料组织均匀，工件尺寸稳定，不仅减小了变形，同时显著提高了材料的力学性能及使用寿命[6]。 (二) 振动时效
振动时效是利用共振设备，对工件施加循环的动应力，动应力与毛坯残余应力二者叠加大于材料的屈服极限，均化了残余应力，使其处于稳定状态，并逐渐消除，这是一种非热的残余应力消除方法，其核心是使动应力在结构上形成完整、均匀的分布。已有的研究表明，振动时效后材料的断裂韧性、松驰性能和抗拉性能明显提高，抗塑性变形能力得到增强。要获得有效的振动效果必须通过仿真和试验的方法，获得激振点、激振力、支撑点、激振时间、激振振型和激振频率等参数，实现特定位置动应力与残余应力的有效叠加。 深冷处理和振动时效不受零件大小、形状的限制，易于实施，但工艺过程和参数对效果影响很大，英美等积累了丰富的实验数据，应用较为成功[7]。 3.2. 加工中变形控制
(一) 高速铣削 上世纪30年代提出了高速切削加工(High Speed Machining)理念，目前已广泛应用于航空航天制造领域，特别是德、美、日等工业发达国家，理论和实践积累很多、成果显著，取得了重大经济和社会效益。与常规切削加工相比，高速切削加工效率高，切削力随切削速度的提高反而下降；切屑排出速度高，约有95%切削热被带走，较低的工件温升可显著降低加工过程中残余应力和热变形；可在较大范围内选择于金，王胤棋 DOI: 10.12677/met.2019.85046 404 机械工程与技术
转速，避免共振，切削平稳，降低加工表面粗糙度；高速切削时，一般刀具悬伸短，刚性好，切削轻快，让刀小。合理选择高速加工切削参数是减少加工变形的关键，一般应采用小轴向切深、大径向切深(大于刀具半径)、在切削力下降区域内选择高的切削速度和适中的进给。目前高速/超高速切削已成为加工薄壁类零件最常用的加工方法，追求超高速也是未来的发展趋势[8] [9] [10]。 (二) 装夹控制
研究表明，20~60%的加工误差来自装夹。路冬、史玉祥等对装夹顺序和装夹部位对加工变形的影响进行了定量分析，夹紧位置应选择刚性较好的基准面，夹紧体间距较大有利于降低加工变形；在刚性较大的面上先施加夹紧力，卸载时先卸载刚性较好面，然后再卸载远离第一个被卸载的夹紧体[1]。大型不规则曲面薄壁件还可以采用多点柔性工装，如图3所示，于金等对平面薄板和曲面薄壁件进行了研究，总结了多点柔性支撑的加工变形规律，陆俊百等将自适应和遗传算法相结合，优化了装夹布局，研究结果对多点柔性工装的有效使用都有一定的指导意义[11] [12]。
1) 底座 2) 动梁 3) 支撑单元 4) 吸盘 5) 支撑体 Figure 3. Multi point flexible tooling system diagram 图3. 多点柔性工装系统示意图
对于形状特殊、装夹困难或刚度很差的零件，如叶片、薄板等，还可采用变相材料和低熔点合金。图4为变相材料夹具示意图，相变材料(PCM—Phase Change Material)是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质，夹紧体的布局可依据工件外形，实现多方向的法向夹紧，无需依靠摩擦力固定，所需正压力更小，夹紧体可以自由布置，为工件夹紧布局优化提供了条件。
1) 工件 2) 变相材料 3) 柔性夹具 4) 工作台 Figure 4. Sketch of PCMclamping 图4. 变相材料夹具示意图
采用低熔点的合金，就是将溶化的合金加注到工件空腔，使工件成为实心，不仅可以提供装夹定位基准，而且提高了刚性。日本学者HarukiObara等人将此方法用于薄板加工，精铣加工壁厚达到了0.05 mm，满足加工精度要求[13]。 (三) 射流辅助支撑加工技术