01
序言
鋁合金薄板類零件是機箱類工件的常見零件，其加工變形的控制、厚度一致性的保證一直是加工的難點，尤其是T4狀態(tài)、T6狀態(tài)等硬度高、易變形，傳統(tǒng)加工方法加工周期長，極難保證工件厚度的一致性和表面質(zhì)量。本文總結(jié)了薄板、多臺階異形薄板類工件的變形原因和加工經(jīng)驗，探討真空吸盤的加工技巧。
02
加工技巧
圖1為某蓋板類工件簡化模型，為中心旋轉(zhuǎn)對稱類工件，旋轉(zhuǎn)角度為120°，其中一面有1mm凸臺，另一面有2mm凹槽，工件厚度為2.5mm。結(jié)合工件外形尺寸，判定工件為薄板類工件。工件材料為T4狀態(tài)硬鋁合金，極易變形，加工時也容易造成厚度尺寸不均勻。
a）正面
b）反面
圖1 某蓋板類工件簡化模型
03
工件變形分析
傳統(tǒng)加工方法用AB膠粘結(jié)固定的微應(yīng)力裝夾方法，或采用倒壓板分區(qū)域局部加工的方法。其中膠粘法存在工件因變形造成中間鼓起變薄的情況，且由于鼓起的中間部位無支撐力，因此會造成加工顫動，影響表面質(zhì)量，不適合薄板類加工。倒壓板的方法雖受變形的影響較小，但是也存在接刀不好控制、工件變形嚴重的缺點，且受壓板長度限制，不適宜加工大型薄板。因此兩種方法都存在加工變形不易控制的缺點。要想盡量限制變形對加工的影響，首先要清楚工件變形的原因。
零件的變形按形態(tài)分為彎曲變形（見圖2）、扭曲變形（見圖3）以及彎曲與扭曲混合變形。在實際加工中工件變形無法消除，但可以通過變形原因分析，有針對性地控制變形，使其在可接受的范圍內(nèi)，從而保證工件的尺寸精度。
圖2 彎曲變形
圖3 扭曲變形
通過查找資料[1]和加工實踐，總結(jié)出造成零件變形的原因主要有以下幾個方面。
1）毛坯材料已有的變形造成的誤差復(fù)映。要控制此類變形的影響，需要在加工前對毛坯材料進行修整，可以采用膠粘法的微應(yīng)力裝夾方式，通過翻轉(zhuǎn)反復(fù)加工修平工件表面，消除誤差復(fù)映的影響。
2）材料因切削破壞內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡而造成變形。這種變形是由于材料內(nèi)部存在非均勻分布的內(nèi)應(yīng)力點，在加工前毛坯處于應(yīng)力平衡的狀態(tài)，加工后由于材料切除，局部內(nèi)應(yīng)力點消失，平衡被打破，因此工件必然會變形，直到工件內(nèi)應(yīng)力重新達到平衡點。此類變形對小型或結(jié)構(gòu)強度高的工件影響不大，但卻是大型航空航天結(jié)構(gòu)工件變形的主要原因。此類變形極難控制，對于小型工件，可以通過安排粗加工提前釋放工件變形來進行控制。對于大型工件，由于變形嚴重，粗加工后若留量較小，工件會因變形超差；若留量太大，又無法有效釋放變形，因此如果條件允許的話，大型易變形工件可以采用鑄造加工。必須進行切除加工時，需要針對毛坯的制造方法建立大型數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)收集、分析確定此類毛坯的大致應(yīng)力分布方式，有針對性地安排加工工藝，此方法需大型有條件的企業(yè)有組織地去積累完善，不適合小型企業(yè)。
3）已切削表面切削殘余應(yīng)力造成的變形。刀具切削過的表面，由于經(jīng)過擠壓和熱變形，因此會在已加工表面形成應(yīng)力層[2]。此應(yīng)力層的深度受切削環(huán)境（刀具材料、刀具的鋒利程度、加工冷卻是否充分及工件材料等）的影響會有變化。對于鋁合金材料，精加工時切削應(yīng)力層的深度一般在0.1mm左右。此類變形對于薄板類工件的影響較大，是本文主要討論的類型。
04
加工工藝分析
在不考慮材料因切削破壞內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡而造成變形的原因時，影響工件變形的主要因素是加工中的切削熱、背吃刀量、刀具鋒利程度及切削方向。
加工中的切削熱、背吃刀量和刀具鋒利程度會影響工件切削應(yīng)力層的深度，進而影響變形程度。散熱越不好，背吃刀量越大，刀具越鈍，工件變形越嚴重[2]。在散熱良好的情況下，切削速度對變形的影響很小，可以忽略不計。
切削方向?qū)ぜ冃晤愋陀泻艽笥绊憽Ｒ孕螤钜?guī)則的長寬尺寸為200mm×200mm、厚度為4mm的正方形薄板為例，當?shù)堵窞槠叫械堵窌r，工件更易形成拱門形的彎曲變形，且變形方向為沿著加工刀路方向彎曲，往往向著剛加工過的表面鼓起。通過控制切削走刀方向，并采用單軸往復(fù)加工，可以將變形控制為單向拱形彎曲變形。這時通過少切削往復(fù)翻面銑削，再適當控制背吃刀量，可以有效控制變形。精加工時，每次切削厚度在0.05mm左右，刀具直徑＜8mm時，切削應(yīng)力小，散熱效果好，對工件變形影響最小。工件厚度對變形也有一定影響，對于T4狀態(tài)薄板，當厚度＜8mm時，切削刀路對變形的影響開始變大。刀具直徑也會對變形產(chǎn)生較大影響，由于直徑越大，薄板類工件的變形越大，同時也越復(fù)雜，因此在保證加工效率的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選擇小直徑刀具進行加工。
05
裝夾方式選擇
傳統(tǒng)裝夾定位采用壓板壓緊工件銑削或者用膠粘接的方式，反復(fù)翻轉(zhuǎn)加工，不僅加工周期長，而且還會因為工件局部鼓起而造成尺寸局部變小超差。采用真空吸盤+鈑金校形的加工方法，可以保證工件的尺寸精度，提升加工效率，控制變形。
真空吸盤可以無視工件變形，將工件吸平在吸盤工作面上，完美保證工件厚度尺寸，解決了工件裝夾定位的難點。但由于結(jié)構(gòu)限制，吸盤只能吸平面，具有局限性[3]。且加工時吸盤邊緣吸力較中心弱，其封條外圍由于無吸力拉扯而存在翹曲現(xiàn)象。經(jīng)過多次加工試驗證實，只有當封條接近或超過工件邊緣時，才能保證吸盤完全吸平工件，并且對工件產(chǎn)生最大吸力，從而抵抗加工中的切削力，保證工件邊緣尺寸與內(nèi)部一致。由于結(jié)構(gòu)限制，吸盤封條的安裝寬度不能靈活調(diào)整，所以設(shè)計了吸盤工裝來解決吸盤的限制問題。工裝吸板料如圖4所示，在吸盤上設(shè)計一個大工裝板，其四周用螺釘壓緊限制其移動，中間掏氣孔與吸盤氣孔連通，兩邊設(shè)計定位銷。工裝板和吸盤間用封條密封，工裝板表面用小立銑刀劃出氣道。在這個工裝板上可以自由設(shè)計密封圈大小，以適應(yīng)不同大小的工件。
圖4 工裝吸板料示意
在吸盤上安裝工裝的靈活之處，在于對于一些帶有復(fù)雜階梯凸臺、凹槽的工件（見圖1），也可以實現(xiàn)完美吸附、定位，保證其各位置尺寸、厚度一致性，同時方便反復(fù)翻面裝夾控制變形。還可以在其上用定位銷定位一個小工裝（見圖5），用來加工異形臺階薄板類工件。
a）正面
b）反面
圖5 小工裝
工裝設(shè)計的關(guān)鍵在于要挖出適宜臺階，并在臺階上和槽里都劃出氣道與氣孔相連。為了節(jié)省工裝材料，正反兩面使用一個工裝板，可以保證工件每個臺階面都緊貼工裝板，以保證加工厚度。加工完成后由鉗工校平，即可滿足要求。
06
結(jié)束語
當薄板類零件的加工以數(shù)控銑削為主時，數(shù)控工藝優(yōu)化與改進的可行途徑有很多，可以對NC程序、刀具、夾具、毛坯、零件及機床等諸方面進行改進。但策略不同，工藝改進的代價不同。此類型工件在實際生產(chǎn)中是非常具有代表性的。在精密加工中，通過試驗不同刀路、切削環(huán)境和加工工藝對變形的影響，以及不同厚度下工件的易變形程度，總結(jié)出一套薄板類零件的切削工藝。通過設(shè)計吸盤工裝，實現(xiàn)了吸盤對異形薄板的加工能力，解決了生產(chǎn)難題。
