薄壁零件数控加工研究

佘敏娟

摘要：本文通过对薄壁零件某型机框板的工艺分析，介绍了零件的加工难点及采取的有效措施，阐述了此类零件数控加工方案，装夹定位，以及在加工中采取的控制零件变形的有效方法。

关键词：薄壁零件；装夹定位；零件变形

引言

在现代飞机设计中，整体机加铝合金薄壁零件的应用十分广泛。该类零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等优势，是航空产品中较常见的一类零件，它既可以提高飞机的有效载重，也可以减少联接件数量，提高飞机的疲劳寿命，极大的满足现代飞机设计的要求。

1.薄壁零件的介绍

薄壁零件是指零件80%的结构厚度尺寸小于2mm的整体机加件，薄壁的典型特征在零件上主要体现在缘板、腹板等部位，如某型机前机身框板（如图1）。某型机框板零件是前机身主要的横向承力结构件，它连接前后堵头、左右两侧壁板以及地板梁等结构，装配关系复杂，尺寸要求严格。

图1某型机框板轴测图图2数控加工流程图

对该框板的三维数模进行分析得知，该零件净尺寸为：1420X1220δ65.5,腹板90%仅为1.5mm，缘板厚度仅为1.8mm，，零件的材料去除率达到了97%。由于材料去除率偏大，加工后容易引起腹板面鼓起，平面翘曲，缺口处外形扭曲，导致零件难加工和合格。

2.工艺方案的制定

2.1工艺流程

数控加工工艺方案的制定是数控加工过程中较为复杂又非常重要的环节，与加工程序的编制、零件加工的质量、效益都有着密切的关系。工艺决策的好坏，不仅会影响机床效率的发挥，而且还将直接影响零件的加工质量[1]。

对该框板结构经过分析，工艺流程总的分为粗加工、精加工。在粗加工过程中考虑变形因素和可能产生的变形量，预留合理的工艺余量，并进行时效，释放应力，避免零件腹板鼓包。精加工过程中，采用小余量，高进给的加工方法，使零件的变形得到了有效的控制。数控加工的具体加工流程见图2。

2.2变形控制策略

（1）时效

在通常情况下，零件内应力处于平衡状态，粗加工后，在切削应力的影响下，零件原有的内应力平衡遭到破坏，为达到新的应力平衡零件就会产生变形。因此，粗加工后增加时效工序，有利于零件内应力的充分释放，减小零件的最终变形。

（2）定位孔

在控制零件变形方面，加工坐标系的建立和工艺孔的选取至关重要。该零件选取两孔定位（如图3）。精加工之前修正基准孔，减少精加工后零件的变形。

（3）工艺参数

粗铣正面槽腔时，采用层优先加工与跳跃加工相结合的加工策略，即对多个槽腔在相同高度方向整体进行跳跃式层余量去除，这样应力可以均匀释放。

图3定位孔

精加工采用高速铣削。高速切削使得95%以上的切削热量被切屑带离工件,工件积聚热量很少,零件不会由于温升导致翘曲或扭曲变形。所以精加工阶段尽可能采用“小切削，快进给”的高速切削方式，通过减少零件机加过程产生的热量，能有效减小零件的最终变形。

3.注意事项

3.1利用零件自身的结构做支撑

在粗加工多槽腔面时，对于不同的筋高不做加工，包括缘板筋高，计算好筋高所留余量，使所有筋高的高度保持一致，在精加工第二面时，对落差较大的筋高，可以增加半精铣筋高程序。

3.2零件闭角部位的清残留

该框板的缘板为闭角度（如图4），角度为，因为此处有装配要求，设计明确指出允许少量的闭角残留，那么此处如何很好的清除闭角残留，是该程编考虑的难点之一。先用Φ20的刀具进行精加工，再用Φ10的刀具分别沿立筋高度方向、平行于腹板的方向接残留，刀具的加工轨迹如图4。

图4闭角区域残留加工轨迹

3.3腹板尺寸的保证

由于零件腹板偏薄，在精加工最后一面时，腹板很容易鼓包。除了采用高速铣削以外，还需要注意的就是，对于同一个槽腔内，同一个槽腔内不同厚度铣削的顺序，应遵从先厚再薄的顺序。

结论

薄壁零件因为其很多的优点，在飞机中占有比例大幅度提高是一种必然，所以我们对薄壁件的数控加工进行研究，具有重要意义。数控加工过程的物理仿真是综合考虑数控加工工艺参数、机床刚性、材料属性、切削温度、轨迹走刀策略等因素，能对切削过程的物理量、加工时间进行分析和预测，为后续研究薄壁零件的变形控制提供依据。

参考文献：

[1]陈光明.基于数控加工的工艺设计原则及方法研究.制造业自动化，2005，27(9)：69-72.

[2]武凯，何宁薄壁结构件铣削加工动态特性研究，机械设计与制造，2010.7

[3]王焕庭，李茅华，徐善国机械工程材料，2000.5