王录林 宋文 田东缙
中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西 西安 710077
摘要：航空发动机燃油控制系统中，壳体零件大量采用铝合金件来满足对发动机低重量、高精度的要求,由于薄壁壳体刚性较弱所以易产生变形,壳体零件在研制、试生产阶段变形问题大多得到解决,但一些薄壁壳体加工后变形问题未得到有效解决,严重影响了生产定型的质量稳定性和加工效率。 通过复杂薄壁壳体加工变形控制研究实现典型壳体薄壁零件材料切除顺序及方法分析,揭示不同工艺方法的残余应力分布规律,通过压紧方式、刀具选用、加工参数、走刀路线等解决零件加工变形的问题。
关键词：薄壁壳体、压紧方式、刀具选用、加工参数、走刀路线
1 概述
随着数控技术的发展，零件的加工周期随之缩短，零件的自然时效不足等原因，造成薄壁零件在正常使用过程中变形产生漏油等事故发生。零件的加工变形己成为航空制造技术中影响加工精度与质量的关键因素，严重地阻碍了航空制造业的发展。同时航空薄壁零件由于其零部件必须具有轻量化的要求，故大量采用铝合金、钛合金等密度较低的材料。在加工过程中不能彻底消除零件的残余应力或使应力分布均匀化，造成零件加工变形，加工精度和表面质量差，工艺稳定性和产品一致性差，导致零件成品率低，且工时长，工序繁多，产品生产率低，不能保证产品质量的稳定性。
复杂薄壁壳体零件产生变形的原因薄壁壳体在铣削加工过程中,产生加工变形的影响因素主要包括以下几个方面:
1.1夹具因素。包括夹具精度和夹紧力的大小。薄壁壳体加工过程中,夹紧力要适中,压紧力大了容易压变形,压紧力小了容易产生振动,并且夹紧力的方向要和薄壁面尽量平行。
1.2刀具因素,包括刀具参数和刀具性能。刀具参数又包括前角、后角、螺旋角、刀具直径、刀具刃数、刀具圆角等因素,其中刀具螺旋角、刀具刃数和刀具圆角对刀具切削的效果影响比较大。 刀具性能包括刀具刚性和耐用度等。零件加工过程中,刀具或多或少的会磨损,这就需要刀具的耐用度要高,以适合壳体零件的大批量生产。
1.3工件自身材料因素。壳体类零件大多为铸铝合金,毛坯的初始残余应力存在于构件内部且在整个构件内保持平衡的应力。 在生产、处理和加工材料的过程中,由于材料的局部区域产生了不均匀的变形或相变,必然导致工件内部残余应力的产生。在加工前应使工件内的残余应力处于自平衡状态。 切削加工是被加工材料被逐渐切除的过程,随着切削加工过程的进行,切削层中的残余应力被逐渐释放,工件自身的刚度也发生变化,原始的自平衡条件被破坏,工件只有通过变形达到新的平衡状态。
1.4切削参数因素。壳体零件变形主要因铣削去除量比较大,铣削影响的因素包括铣削速度、铣削宽度、铣削深度和每齿进给量。 切削参数是影响加工过程的主要因素,也是影响切削力和切削时是否产生振动的主要因素。 当铣削参数不合适时,极易产生振动,在表面形成振纹,大大地影响了表面加工精度和质量。因此选取合适的切削参数对零件的加工质量起着至关重要的作用。
1.5加工工艺因素。包括工件的定位、装夹方式、刀具的选择、刀具路径的规划、工序流程安排和冷却液。合理的刀具路径可以大大提高工件的加工效率。正确的工艺流程可以有效提高工件的加工质量。 当刀具切削零件时,由于切削剪切变形所做的功、刀具前刀面与切削、后刀面和工件之间摩擦所做的功都转化为切削热,切削液可以把大部分的热量带走, 以提高刀具使用寿命和工件加工表面质量。
2 减少薄壁件变形的措施
2.1 选择合适的装夹方式
在薄壁件加工时,可以根据该薄壁件的形状特点和工艺特点,制定适合、有效的装夹方式。由于薄壁类零件的形状和结构的多样性以及本身具有刚度低的特点,装夹时施力的作用点不同,产生的变形就不同。经过试验、实践证明,增大工件与夹具的接触面积或轴向夹紧,可有效降低零件装夹时的变形。如在铣削加工薄壁件时,大量使用弹性压板,目的就是增加接触零件的受力面积在车削薄壁套的内径及外圆时,无论是采用简单的开口过渡衬套,还是使用弹性芯轴、液体塑料夹具等,均采用的是增大工件装夹时的接触面积。这种方法有利于承载夹紧力,从而避免零件的变形轴向夹紧工装由于制造简单,在实践中被广泛使用。在切削加工时,刀具、切削用量、切削液和正确的装夹方式需同时兼顾,才能杜绝或减少薄壁类零件的变形。
2.2 选择合适的刀具参数
合理的选择刀具参数不仅可以提高零件的加工质量,还可以提高刀具的使用寿命。在选择刀具参数中,刀具的直径、螺旋角、刃数及R角是首先要考虑的问题。合理的选用刀具直径可以有效提高加工效率。在薄壁件的精加工内腔过程中,刀具直径尽量小于拐角处的圆角半径这是因为刀具半径等于圆角半径时,刀具切削至拐角处,刀具与零件的接触面突然增大,导致切削力突然增加,容易产生振动,导致零件表面有振纹产生加工铝合金薄壁壳体时,一般选择45°的螺旋角。不同刃数对加工振动的影响不尽相同,选取时刃数不宜太多,一般为2～3刃。
2.3选择合理的切削参数
通过选用合理的切削参数,进而调节切削力的大小,减小振动,降低由振动造成的变形量,使其能满足公差要求。因此就要了解切削参数和切削力之间的变化关系。研究表明,切削力随着切削深度、每齿进给量的增加而增加。切削宽度应选择刀具直径的70%～90%。随着切削速度的增大,切削力降低,但是切削热增加,表面粗糙度降低。该系统是对切削参数的二次优化,选取较为合理的切削参数,保证加工薄壁零件时不发生颤动。
2.4 进刀与走刀策略
在薄壁壳体的铣削加工过程中,采用较大的轴向切深和较小的径向切深,可使切削过程处在刚性较佳的状态采用环切方式加工引起工件变形最小。加工凹型腔时,铣刀从凹型腔的中间位置以螺旋线方式下刀以减少垂直分力对腹板的压力,在深度方向铣到尺寸,再从中间向四周以环切方式扩展至侧壁加工余量。此外,数控铣削一般采用顺铣加工方式。顺铣削时垂直分力始终向下,方向不变,具有压紧工件的作用,铣削较平稳:顺铣时刀刃切入工件是从厚处到薄处,刀刃切入容易,并且在刀刃切到已加工面时,对已加工面的挤压摩擦也小,能较好地控制该腔体的内腔尺寸精度。
2.5 加工工艺控制策略
为了避免精加工时零件的整体刚度太低,粗加工后所预留的加工余量比常规工件大,单边均留量12mm。同时合理安排热处理工序来消除和减少毛坯内残余应力、切削力和切削热产生的应力。在加工薄壁结构零件的过程中,因应力释放极易变形,常将粗、精加工分开进行,并在粗加工后进行去应力处理。薄壁壳体零件的一般总体工艺方案为:粗铣各面→粗铣凹腔,单边留量12mm→热处理→半精铣各部位,保证各面以及转角的留量达到均匀→精加工公差要求高的型面及各种孔系。
结论
（1）合理进行装夹布局,能有效减少薄壁壳体体零件的装夹变形和加工变形。
（2）优选刀具、优化走刀和进刀方式可以减少薄壁壳体零件的加工变形。
（3）优化工艺路线及各型腔的加工顺序可以减少整体零件变形。
参考文献
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