針對鋁合金薄壁類零件的數控銑削變形難題，從零件原材料性能、銑削前后殘余應力的分布、刀具和切削工藝參數的選擇及不同精度工裝的使用等方面進行分析，確定影響零件變形的主要原因。介紹當前的變形控制方法和國內外研究現狀，為薄壁件數控銑削提供了理論依據和研究方向。
1 序言
目前，航空航天業(yè)對飛行器的機動性、穩(wěn)定性和經濟性需求不斷提高。在滿足飛行器使用要求的前提下，研發(fā)單位既要保證滿足飛行器結構強度和剛度要求，又要滿足減輕飛行器整體質量的要求。基于航空飛行器減重要求，鋼、鋁及鈦合金薄壁件獲得了廣泛應用。
薄壁件是指壁厚與曲率半徑之比＜1∶20的回轉體零件，或者壁厚＜3mm的框、梁、壁板、腹板及筋條類零件，圖1、圖2所示分別為航空飛行器采用的典型腹板、梁類薄壁件。由于薄壁件自身的特點，因此在加工過程中受毛坯去除量大、工藝復雜等因素影響，易發(fā)生變形；切削過程中切削力和夾緊力也會導致薄壁件變形；同時，零件材料、工件的幾何形狀及剛度、殘余應力、數控加工工藝缺陷、切削參數設置不合理以及工裝夾具精度不夠等因素，都會影響零件的加工精度。薄壁件如果變形量過大，則會影響零件質量、使用壽命及裝配精度，甚至會影響飛行安全。
綜上所述，薄壁件的數控加工變形控制非常必要。鋁合金是航空企業(yè)應用最廣泛的薄壁件材料，具有低密度、輕量化、薄壁化、高精度及銜接性強等特點，本文針對鋁合金框類薄壁件加工，從多個方面分析數控銑削變形的原因，總結出變形控制的相關工藝與解決方法，并介紹國內外薄壁件變形控制方法的研究現狀。
圖1 鋁合金腹板薄壁件
圖2 鋁合金梁類薄壁件
2 薄壁件銑削變形原因分析與控制方法
影響薄壁件銑削加工精度的因素很多，與零件原材料初始性能、零件設計的幾何形狀及剛度要求、銑削前后殘余應力分布及釋放情況、刀具及銑削工藝參數的選擇、工裝夾具結構設計、加工工藝方法及加工設備的選擇等均有關系。由于零件壁薄，整體剛度較差，銑削后應力分布不均勻，因此在一定的切削力和裝夾力作用下，導致薄壁件容易產生變形。薄壁件數控銑削變形與控制是多門學科交叉問題，主要涉及材料力學、金屬切削加工學、刀具設計、材料學、材料成型及機械制造等領域，如何完美控制薄壁件銑削加工變形是航空航天產品加工工藝中一直存在的難題之一[1]。目前，經過大量科研人員的研究分析，總結出影響薄壁件數控銑削加工變形的主要因素，包括以下4個方面。
（1）原材料物理性能及設計結構 航空航天鋁合金材料的彈性模量一般為70GPa左右，大約為鋼結構材料的1/4。由于鋁合金原材料的彈性模量較小，韌性相對較大，因此在數控銑削加工過程中容易產生變形、回彈及“讓刀”現象，尤其是大型框類、腹板類和壁板類薄壁件更為嚴重，其對零件精度的影響不容忽視。從大多數航空航天產品制造加工實例來看，同等加工條件下，鋁合金零件變形量遠遠大于鋼件。此外，大多數框類薄壁件形狀復雜，薄壁部位多，自身硬度小，結構不對稱，都會對零件加工精度產生很大影響。
（2）毛坯殘余應力 毛坯即沒有經過深加工的零件。為獲得良好的機械性能，鋁合金板材一般經過軋制、拉伸、熱處理和時效等一系列工藝流程，在這些流程中產生不均勻的應力場和溫度場，導致殘余應力在板材內產生。在毛坯狀態(tài)時，殘余應力以平衡狀態(tài)存在于板材內。隨著切削加工的進行，零件內應力失去原有的平衡，零件毛坯內的殘余應力由于切削而發(fā)生變化，一部分殘余應力隨著切屑和切削熱被帶走，另一部分殘余應力由于切削熱和切削力的影響而增大，殘余應力的分布呈現不均勻性，零件內部為了達到力的平衡性分布，只能通過零件變形的方式來恢復內部應力平衡狀態(tài)。經過數控切削加工的鋁合金零件，由于切削熱、切削力和切屑影響而留下的殘余應力深度一般為0.1mm左右，當零件設計厚度比較大時，其銑削后的剛度也大，此時由于切削熱、切削力和切屑而產生的殘余應力不足以克服零件原材料的屈服強度而發(fā)生塑性變形。但是，對于厚度在2mm以內的中大型航空薄壁件來說，此時由于切削熱、切削力和切屑而產生的殘余應力足以克服零件原材料的屈服強度而發(fā)生塑性變形。有大量調查研究表明，毛坯殘余應力是影響薄壁件變形的重要因素之一[2]。
（3）刀具及切削參數 鋁合金材料相對剛度差、塑性好，選擇適當的刀具材料對零件加工精度十分重要。在切削鋁合金時，銑削刀具應該選擇高硬度、抗沖擊和耐磨性高的材料，并且要選擇與工件材料親和力小的材料，這樣可以避免出現刀具變形、卷刃和粘刀等現象。在實際工程應用中，推薦采用帶有涂層的硬質合金刀具。
切削參數的選擇不僅對零件精度有很大影響，而且會影響機床工作狀態(tài)。選擇切削參數時，要考慮機床功率、毛坯材料、刀具直徑和刀具長度等主要因素。在實際銑削中，提高銑削速度vc既可以大大提高金屬去除率，又能優(yōu)化零件表面加工質量。目前的研究中，對于大型鋁合金梁類、壁板類、腹板類及框類薄壁結構件而言，將切削力作為銑削速度的選擇標準。銑削力隨著進給量fz的增大而增大。切削力越大，零件加工質量越差。零件精加工銑削時，應當選取相對合適的進給量。實際加工中，通常選取進給量0.1～0.15mm/z，這樣既能保證適中的銑削力，又能保證零件的加工效率。在數控銑削過程中，切削深度和切削寬度同樣對零件加工精度和表面加工質量有著重要影響。實際加工中，選用小切削深度和大切削寬度，即“淺切快走”的銑削方式，可有效提高零件精度和表面質量。一般推薦切削深度為1～5mm，切削寬度為0.3D～0.7D（D為刀具直徑）。
刀柄主要起到傳遞數控機床扭矩輸出和傳遞數控機床原始精度的作用。刀柄一端與機床主軸相連接，另一端與刀具相連接。由于高精度銑削加工對刀柄有著極高要求，因此刀柄必須具備高精度、高強度和高重復裝夾精度等特點。目前，圓錐空心刀柄廣泛用在高速切削機床中。同樣，利用熱脹冷縮原理的熱縮刀套夾持系統(tǒng)，以其可以滿足超高速切削特性而被廣泛應用在一些特殊深腔零件或者復雜薄壁件加工中。此外，某些特殊薄壁件加工時，還會應用到角度頭，角度頭對機床精度、扭矩及主軸角度的傳遞同樣會影響零件的精度。
（4）零件的裝夾 零件裝夾是機械加工最基本的環(huán)節(jié)。薄壁件的裝夾方式主要包括機械、液壓和真空吸附裝夾等[3]。裝夾主要包括定位和夾緊兩部分，定位和夾緊相互作用，二者不分主次，合理的裝夾定位對零件的加工質量、加工精度有著十分重要的影響。首先，將毛坯正確置于工裝夾具中，保證夾緊力適中，作用點及作用方向精準。為了提高加工精度，要注重調整夾緊力分布，避免集中夾緊問題，盡量在剛度較好的位置進行裝夾。如果夾緊力過大，薄壁件在加工過程中極易產生變形，并且可能出現“欠切”現象；如果夾緊力過小，薄壁件在數控切削過程中會由于切削力變化而發(fā)生顫動，同時可能會伴隨出現刀具“過切”零件的現象，從而導致零件表面幾何變形超差，增加了零件報廢的風險。
除了上述主要因素外，機床定位精度、重復定位精度、工藝程序銑削路徑、工裝夾具的剛度、銑削刀具的磨損狀態(tài)、刀具和零件切削熱影響以及冷卻系統(tǒng)等因素對銑削薄壁件的加工精度及控制變形都存在影響。如果想全面地、深入地了解引起薄壁件數控銑削變形的產生機理，就需要科研人員、工藝人員及操作人員共同對薄壁件數控加工全過程及影響變形的因素進行深入的分析和研究。
3 薄壁件數控加工變形控制的研究現狀
目前，德國、日本、美國、法國和英國等工業(yè)制造水平較高的國家，對于鋁合金薄壁件數控銑削變形控制已經積累了多年的經驗，并且取得了重要進步。這些國家無論是在數控機床、加工刀具、數控控制系統(tǒng)、工裝夾具和零件原材料方面，還是在數控加工技術理論研究、生產實踐方面都具有一定的優(yōu)勢。美國密西根大學研究并開發(fā)了可以有效控制大型整體結構件及腹板類薄壁件數控銑削變形的銑削路徑優(yōu)化理論和計算機有限元仿真軟件[4]。法國巴黎航空工業(yè)學院與其國家宇航局聯(lián)合建立專門的強度實驗室，主要研究如何解決航天飛行器大型整體結構件設計問題與加工制造變形問題，同時又深入開展了工藝策劃優(yōu)化方法和零件安全校正技術等研究[5]，但因為涉及國防關鍵技術，目前僅查到一些關于變形控制的子技術。為了解決單一主軸數控銑削薄壁件變形的問題，日本IWABE等人提出了平行雙主軸加工方案[6]。TLUSTY等人提出了充分合理利用零件本身整體剛度的銑削加工方案，零件銑削變形控制能力及生產效率都得到了極大的提高[7，8]。
國內對航空航天鋁合金薄壁件數控銑削加工變形預測及變形控制方面的研究主要集中在高校和科研院所，包括航空工業(yè)制造院、中科院金屬所、北京航空航天大學、南京航空航天大學、大連理工大學和沈陽航空航天大學等。還有一部分制造企業(yè)也在對薄壁件變形控制方面進行相關研究，比如沈陽機床股份有限公司、上海優(yōu)尼斯工業(yè)服務有限公司、航空工業(yè)成飛和中航西飛等公司。北京航空航天大學梅中義等研究了飛機大型弧形薄壁件的數控銑削加工變形情況，分析了數控加工過程中的切削應力、裝夾結構對銑削零件變形的影響，同時提出了變形控制方案[9-11]。南京航空航天大學武凱等利用數值模擬技術分析框梁結構件的腹板、筋條和緣條的變形規(guī)律，提出了框梁薄壁件數控加工變形控制方法，即大切削深度法和分布式環(huán)切法，可以有效利用薄壁件自身剛度來減小變形，提高數控銑削加工精度[12-14]。航天特種材料及工藝技術研究所繆偉民與何為總結出加工前后零件的殘余應力釋放、加工中的熱應力分布和零件裝夾力大小對變形的影響情況，并提出利用計算機有限元仿真分析，通過高精度夾具的優(yōu)化、數控銑削路徑的優(yōu)化等方面控制薄壁件趨勢變形[15，16]。沈陽航空航天大學于金、高彥梁提出利用ABAQUS仿真預測薄壁件變形，通過遺傳算法得到最優(yōu)的多點柔性工裝裝夾系統(tǒng)，并且通過實際零件加工驗證理論模型的準確性[17-19]。
4 結束語
鋁合金薄壁類零件的數控加工變形控制方法非常復雜。由于存在壁厚薄、剛度差和密度低等特點，以至于影響薄壁件變形的因素眾多，主要包括零件原材料本身的性能、銑削前后殘余應力的分布情況、刀具和切削工藝參數的選擇以及不同精度工裝的使用等。本文詳細分析了刀具材料、切削工藝參數、刀柄結構形式及零件工裝夾緊力對薄壁件數控銑削加工的影響，并總結了當前的變形控制方法和國內外研究情況，為國內工藝人員及數控操作人員控制薄壁件數控銑削加工變形提供了一定的理論依據。
專家點評
鋁合金薄壁件的數控銑削變形原因非常復雜，變形控制涉及多門學科。作者全面分析了影響變形的主要因素，以及刀具材料、切削參數、刀柄結構及工裝夾緊力對銑削變形的影響程度和控制方法。
文章論點準確，分析透徹，亮點是薄壁件銑削變形的原因分析，以及各項因素對變形控制的影響。能夠抓住問題的關鍵進行深入研究，客觀總結當前的變形控制方法和國內外研究方向，為控制薄壁件銑削變形提供了參考依據。
