冯绍富
天津航空机电有限公司 天津 300300
摘 要：由于航空航天产品具有轻量化的要求，其零部件普遍采用铝合金材质的薄壁结构。薄壁结构在制造过程中由于其相对刚度较低、加工工艺性差，在切削力、装夹力、残余应力等因素作用下极易发生变形问题，制造难度极大。本文以航空产品薄壁腔体零件为例，采用优化工艺路线，设计合理装夹方式，优化切削刀具和刀具路径等工艺控制策略，可以实现该类零件的高效加工，有效减小了加工变形，该方法对同类薄壁腔体零件数控铣削加工具有一定的指导意义和参考价值。
关键词：薄壁零件；加工变形；工艺控制
由于减重等因素的需要，薄壁结构零件在航空航天领域的应用越来越广泛，该类零件一般由铝板整体加工而成，材料去除率最高达90%以上。对于薄壁铝合金零件铣削加工，如何保证和控制加工变形是保证加工质量的关键因素，减小和控制加工变形一直是航空航天企业急需解决的问题。近年来，有大量学者在薄壁铝合金零件铣削变形的控制方面做了大量的研究，但由于实际加工过程的复杂性，不同的实际问题需要根据零件特点和加工条件进行确定。在切削加工中零件发生变形会出现诸多质量问题：例如，出现颤纹，表面光度不好，厚度尺寸不符合公差要求，零件报废等等，本文采用优化工艺路线，设计合理装夹方式，优化切削刀具和刀具路径等工艺控制策略，实现了该类薄壁铝合金零件可靠加工。
1.零件的结构特点和加工难点
1.1零件的结构特点
某产品前盖板（见图1），牌号为3A21，截面尺寸192mm×164mm×15.4mm，腔深13.9mm，腔体底部最薄处为1.5mm，圆角有R1.5、R2。内腔形状和位置尺寸精度0.1mm，由铝板整体加工而成。
图1 薄壁腔体零件
1.2零件加工难点
（1）零件为典型的薄壁腔体零件，具有高精度、薄壁、低刚性等特点。加工中急需解决的主要问题是如何控制和减小变形。影响和造成工件加工变形的主要因素是切削热和切削力产生的应力、毛坯内的残余应力以及工件装夹产生的应力和变形等。由于薄壁零件本身的刚性较差，加工后残余的各种应力更易于使工件产生变形，难以保证尺寸精度、形位公差和表面粗糙度。
（2）零件装夹比较困难，由于零件底面及四周侧面壁厚只有1.5mm左右，在装夹力的作用下零件容易发生变形。
（3）零件凹槽圆角有R1.5、R2，加工圆角时需要使用不同刀具铣削，圆角小而且深，需要使用小规格直径刀具，圆角处加工质量和精度不易控制。
2. 工艺流程设计
考虑到零件以上分析的加工难点，为了避免在加工腔体凹槽时零件整体强度低发生变形，在零件四边预留20mm加工余量，作为工艺压边，使用螺钉将零件固定在特制的基板上，这样铣削零件型腔时，不会因为壁薄而发生变形。如图2所示，本文加工底面凹槽时采用“套材”法进行加工，“套材”法就是一次装夹加工一面所有尺寸，然后再将零件从毛坯中掏出的加工方法。该方法的主要加工过程是首先粗铣底面内腔，粗铣外形，然后精铣外形，精铣内腔，最后将毛坯与零件切断。在切断时外形与毛坯之间预留厚度为0.1mm微连接，保证在加工过程中整个加工过程有足够的强度抵抗加工过程切削力。
薄壁零件铣削工艺方案为：铣外形基准→铣顶面→“套材”法铣底面凹槽及外形→去毛刺。
图2 套材法加工示意图
3. 加工变形控制策略
影响薄壁铝合金零件加工变形主要因素有装夹方式、切削方式、切削刀具和刀具路径等，通过控制这些影响因素，可以有效减小和控制加工变形。
3.1装夹定位方式
合理选择装夹定位方式可以减小零件在铣削过程中发生的变形和振动，每种零件的装夹定位方式要根据零件的结构特征和加工条件去选择。
3.1.1定位面的选择
实现薄壁零件高效加工的关键是防止装夹变形，防止装夹变形的关键是装夹时确保零件基准面与工作台面或夹具基准面致密贴合，零件基准面多点均匀受力紧固。这种装夹对零件基准面平面度提出了更高的要求。
由于零件材料去除量特别大，壁厚较薄，所以在加工过程中底部必须是大的平整面，保证零件与夹具紧密贴合，提高接触强度。针对此需求特别制作了一个铝合金材质的基板作为零件装夹定位面。
3.1.2装夹布局
前面提到由于腔体底部是通孔，在加工薄壁腔体时无法采用真空吸附的装夹方式。对于薄壁零件，装夹布局的原则是保证工件在加工过程可靠夹紧的前提下，尽可能小和均匀的夹紧力，适当增加夹紧点的数量。对于形状规则的工件，尽量选择夹具与支撑均匀分布的方案。
如图3所示，零件四周预留20mm加工余量，作为工艺压边，使用8个M6内六角圆柱头螺钉将零件固定在特制的基板上，每个螺钉距边的距离为5mm，而且在四周均匀分布，这样保证了夹紧力的均匀分布，避免了在加工过程中振动和加工变形。
图3 夹具示意图
3.2切削刀具
由于薄壁零件的刚性差，选择刀具的结构和几何参数应减小切削力和切削热，有利于提高切削的稳定性和加工效率。本文粗精加工均采用了硬质合金材质的两刃铝合金铣刀，切削刃数量少有助于切屑排出顺畅。为了防止零件变形，在保证加工效率的前提下，尽可能选择小直径刀具。本文粗加工时选择规格φ14的铣刀，保证切削效率，精加工时使用直径φ6的刀具减小刀具切削力，保证最终零件的表面质量。
3.3加工参数确定
立铣刀切削速度的经验公式为：
主轴转速的计算公式为：
工作台进给速度为：
式中，VC——立铣刀切削速度，m/min；
n——主轴转速，r/min；
F——工作台进给速度，mm/min；
fZ——每齿进给量，mm/齿；
T——立铣刀的寿命，min；最大生产率寿命为60min，经济寿命为120min；
B——铣削宽度，mm；
D——铣刀直径，mm；
fZ——每齿进给量，根据机床、刀具的刚性选取，一般范围在（0.05-0.6）mm/齿；
aP——吃刀量，mm；
HB——工件材料的布氏硬度；
CV、m、b、c、d、e、g——系数，可以在经验值表中查取[11]；
图4立铣刀的铣削宽度和铣削深度
因为铝合金薄壁零件在加工过程中容易发生变形，所以常常采用高速切削的方式加工，高速切削加工的特点是小切深、高进给，目前常用的高速切削加工主轴转速一般在（15000-35000）r/min，切削进给速度一般在（7000-12000）mm/min，加工的效率是普通数控加工的（3-6）倍。高速切削切削速度较快，切削表面塑性变形小，刀具系统动平衡要求较高，切削时振动性相对普通切削加工要好，加工精度和表面质量非常好。另外，高速铣削切削力可降低30%以上，由于切削速度高，大约有90%以上切削热被切屑带走，所以高速切削加工过程中产生的应力非常小，这为高精度薄壁零件的高效加工提供了可能和技术支撑。本文粗加工粗加工时切削余量较大，所选的刀具和进给量要使切削力趋于减小，所以线速度至少大于300m/min，精加工主要考虑表面粗糙度和加工精度，线速度至少大于450m/min。
3.4进刀与走刀策略
在高速铣削工序中加工薄壁腔体时，我们采用了套材法进行加工，由于零件截面尺寸较大，仅靠四周装夹固定无法保证加工时中心区域的可靠装夹，如果不采取特殊的工艺措施和手段，中心区域在加工时会有颤纹，影响工件尺寸精度和表面质量。针对该零件的特点，我们采取了从中心向两侧逐渐扩散、对称加工的刀具轨迹。进刀时使用螺旋进刀方式，使刀具逐渐切入工件，保证切削力不发生突变。采用顺铣方式切削过程稳定，刀具磨损小，表面质量好，采用比较小的轴向步距保证切削力小，散热和排屑顺畅。由于薄壁铝合金零件材料去除量大，粗加工时一般采用较大直径刀具，这样侧壁圆角处就留有较大的加工余量，为了保证侧壁的表面质量，在拐角处应该避免直接用半径相同的刀具直接靠，这样会产生短暂的停顿现象和刀具振动，对零件表面会产品影响。因此，在侧壁加工过程中，采用余量铣削法，保证精加工余量均匀，以致基本等体积切削，从而使精加工时切削力保持恒定。在粗加工后，精加工前，对余量较大的拐角，采用小直径刀具专门加工，使精加工余量均匀一致，使精加工平稳，获得比较好的表面光洁度。
3.结论
本文采用优化零件装夹方式、加工参数计算、优化切削刀具和刀具路径等工艺控制策略，实现薄壁铝合金零件的高效加工，有效减小了加工变形。
参考资料
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作者简介：冯绍富，男，籍贯山东泰安，毕业于燕山大学，工程师，主要从工艺技术研究工作。