浅谈下盖类薄壁零件加工及变形控制技术

李凯 陈云龙 李小兵

【摘 要】由于下盖类零件的薄壁部位面积相对较大，而且孔系孔距精度、配合面精度及各形位公差要求也更加严格，因而在机加过程中，容易出现变形。针对此问题，本文分析了此类薄壁零件在铣削和磨削过程中的变形规律，探讨了变形控制技术，旨在为提高此类零件的加工质量和效率，提供一定参考。

【关键词】下盖类零件；薄壁零件；变形控制

薄壁零件在航空航天和船舶类产品中应用广泛，因薄壁类零件具有结构复杂、形状特殊、刚度较低，且常应用于重要部位，因此，此类零件加工时对其精度与加工工艺的要求比较高，如果薄壁零件出现变形，将是非常严重的质量问题。

一、影响薄壁件加工变形的主要因素

在薄壁零件加工过程中，影响其加工质量造成零件变形的因素有很多。其中影响最大的有三个方面，切削力、装夹力与残余应力。第一，加工过程中的切削力。对薄壁零件的切削力是影响其形状、尺寸、位置的最主要因素，加工过程中切削力受到的影响有多个方面，首先是切削参数的设置，其次是切削刀具的磨损程度，这些都会影响切削力的设定值，而零件受到切削力的影响，应力与热量的影响会造成其变形。第二，工具装夹的装夹力。工具装夹是将刀具利用夹具固定在相应的位置上完成切削工作。而在装夹过程中，一旦出现位置偏移或是装夹力不够，就会造成在走刀时，切削工具受力影响造成偏移，从而影响薄壁零件的精度，出现变形的情况。第三，材料内部残余应力。在薄壁零件加工时，对毛坯材料的切削程度大、去除量高，剩余材料的刚度也随之减小，零件内部残余应力的释放是根据行刀路线进行改变的，因此加工过程中零件部位的刚度也不相同，在进行加工时切削力与切削的热量都会使零件内部产生残余应力，这个过程对零件的精度有着很大的影响。第四，切削过程。切削加工中工艺参数选择合理性不足，切削力过大会造成毛坯形成极大的弹性或塑性变形，由此对尺寸和精度的影响。切削时造成的热应力同样会同切削抗力。

二、下盖类薄壁零件加工技术问题及变形控制对策

（一）存在的技术问题

某零件结构如图 1 所示，其型面部位薄厚不均匀，薄壁部位面积较大，开口腔槽较多，铣削易变形。

存在的主要技术问题有：一是热处理前在去除大余量的粗加工中，变形较大，型面面积大且薄。加工后经测量，型面变形量在 0.3～0.5mm，这给后续工序加工造成了较大困难。二是精铣外形、槽、下陷面时，零件加工变形较大。

（二）变形控制对策

薄壁零件外形一般不规则，加工时难以平放，所以应当设计一个工艺桩进行支撑。工艺桩也会受力变形，通常无法作为基准。假如零件上下两侧均需进行加工，比如进气道盖板以及顶盖等，工艺桩应当上下贯通，可以利用有限元分析确定工艺桩位置。薄壁零件加工时，一般选择球形基准，只要找到合适的定位，则可以进行X轴、Y轴、Z轴的定位，此外还需要进行辅助工艺基准的确定。

1、热处理前下陷面去除大余量B面（见图1），虎钳夹紧，分层铣削，每次切削深度为1 mm，进给量F为300mm/min，转速S为800 r/min；反面加工薄壁大面时，自制定位工装以图1中B面定位，压板压紧图3中平面，分2次铣削。第一次压紧图3中的1和2点位，加工右侧面，再压紧3和4点位，加工左侧面。定位工装如图2所示。之前用虎钳夹紧，但较大的夹紧力使得中间薄壁地方凸起，零件铣削后卸下，中间薄壁部分弯曲变形较大，变形量在0.3～0.4 mm之间，这造成后续精磨大面，中间余量不足。改用压板压紧，效果明显。

2、精磨精加工基准面。（1）先磨图1中4处凸台面，保证4处小平面为一个平面。（2）磨大底面，之前采用1个截面上以1个砂轮宽度（40mm），每次切削深度为0.04～0.05 mm，零件宽度需要3～4个砂轮宽度，这样顺次一个砂轮宽度为一个截面，再进行下一个截面，最后一次加工完整个平面，这样使得区域截面切削力较大，产生的变形也大；零件磨削后，用刀口尺测量大面平面度局部在0.15～0.3mm。经过验证，采用一次切削深度0.04～0.05 mm，加工完整个大面，再以此方法分层加工整个平面，这样切削力在整个大面上力度均匀，磨削后用刀口尺测量大面平面度在0.1 mm内，控制磨削加工变形量明显。

3、在精铣外形、槽、下陷面中，此时零件大面厚度为3mm，局部为1.5 mm，加工时大面易出现变形，一般的组合夹具难以解决此问题。通过自行设计装夹工装，使工装的主定位面与零件大面较好地贴合，通过调节压板位置加工零件，且工装制作充分虑了零件直角部分的干涉，加工时利用零件大面定位，与工装较好贴合，以孔定位，考虑到定位销直径较小，长度较短，故增加2个间隙较大的辅助定位销；一次装夹零件，加工中通过简单的3次倒压板，可以一次装夹完成铣下陷面、外形和槽的加工。避免了多次装夹造成的尺寸加工不稳定。

4、切削参数选定。加工图1中B面下陷面，4处凸台侧面，中间下陷面等。使用2把刀具：准25可转位立铣刀，精铣下陷面，进给量F为600 mm/min，转速S为1200 r/min；分3层铣削，前2层切深均为0.4～0.5 mm，最后1层切深为0.2～0.3 mm。加工图1两侧外形，使用准12立铣刀精铣进給量F为150 mm/min，转速S为700 r/min。加工开口槽，使用准12合金立铣刀精加工槽进给量F为400 mm/min，转速S为800 r/min。5）除了以上措施外，局部加工内容先后顺序也很重要，在图1中，先磨削中间斜面处的开口槽（精度较高），然后再铣2处斜面，发现两侧开口槽尺寸因零件加工变形而超差，于是将铣斜面内容提前至磨削槽腔之前，效果较好。

三、结语

综上所述，本文针对下盖类零件薄壁部位面积较大，且孔系孔距精度、配合面精度及各形位公差要求较严，机加过程变形较大的问题，提出合理的加工思路：热处理前粗铣去除大余量，热处理后先校正大面；磨削大面（基准面）；精铣外形；大面校正；精铣槽；铣斜面；再次校正大面；磨开口槽等；在零件的各个加工阶段，通过采用稳定可靠的装夹方式、合理的压紧点位和切削参数，改善加工方法，减小零件变形，提高零件加工质量。

【参考文献】

[1]杨立新. 浅谈薄壁零件加工变形的原因及控制方案[J]. 黑龙江科技信息，2016，（22）：128.

[2]王兴超，刘一. 薄壁零件加工变形控制方法研究[J]. 中国新技术新产品，2015，（16）：74.

（作者单位：贵州航天乌江机电设备有限责任公司）