一种薄板零件的变形控制方法

王珂

摘 要： 电子舱母板架长厚比39：1，宽厚比26：1，材料去除率大于78%，在加工中变形量最高2.1mm，通过减小材料内应力、改进切削加工方法，优化装夹方式等措施，最终解决了零件变形过大的问题，将零件变形量控制在了公差范围内，保证了零件加工合格率。

关键词： 去应力；轻切削；优化装夹方法；提高效率

1 零件结构分析

电子舱母版架材料为2A12的铝合金板材，厚度10，原材料状态为T4，结构尺寸如图1所示，零件长宽为196.55×130，厚度5，在型腔一侧上表面有一个凸台，其长宽高为80×2×1.5，在型腔底部为不同规格的腰形槽，最长腰形槽距侧边20。

如图1所示，电子舱母板架结构上易引起零件变形的几个特点：

1.零件长厚比39：1，宽厚比26：1，属于薄板易变形零件；

2.零件上表面的非对称凸台结构，导致零件单面加工余量大幅度增加，增大了零件变形风险，增强了零件变形的程度；

3.零件上中间大腰形槽处是整个结构的薄弱处，刚度较低，加工中应力重新分布后，易形成较大变形；

4.零件从毛坯状态到最后加工完成，材料去除率大于78%，较高的材料去除率含有较大的变形风险。

2 零件工艺过程

根据零件结构特点，结合生产资源，拟定电子舱母板架加工工艺过程如下：

5工序铣零件四方，10工序铣两个大面，粗去余量，建立数铣工序基准。10工序铣大面要求两面均匀反复去余量，每次切削深度不大于0.4，保证零件大面平面度0.15以内的同时，降低切削应力对零件变形的影响，利于后续数铣工序变形量的控制。

在15工序数铣中，电子舱母板架需要倒压板完成加工，根据零件特点，可以合理利用腰形槽位置作为工艺孔。零件加工余量较大，数铣需要分多层切削，加工中，为控制变形量，切削量要小，每层切削深度不宜大于0.5。

20工序钳按要求攻丝去毛刺，修锉局部圆角；25工序按要求检验；30工序按要求进行表面处理。

3 零件加工中遇到的问题

上述电子舱母板架的加工工艺过程已尽量考虑了控制变形量，但在一个批次零件的加工中，变形量仍远远超出了预期，如图3所示：

在数铣内容加工完成，装夹夹紧释放后，零件以中间最大腰形槽为中心在长度方向上弯曲，经检测，平面度达到2.1，经过反复调整切削参数及装夹方法后加工完成的零件最小平面度仍达到1.5，而合格零件平面度要求0.3以内。

4 零件变形原因及解决措施

材料变形是零件能切削加工的基础，零件变形不可避免，需要合理利用变形进行切削加工，同时把变形量控制在合理范围内。

零件加工变形原因

一般来说，铝合金结构件加工变形的原因有以下几种：

1.零件结构因素的影响：零件结构形成的较大的切削余量、较低的结构刚度导致零件容易变形，零件结构上的不对称也是变形产生的原因；

2.零件原材料因素的影响：原材料初始残余应力在加工后释放及材料应力的重新分布，导致零件加工后变形；

3.零件定位装夹方式的影响：不合理的定位装夹方式；不合理的夹紧位置，不合适的夹紧力等都会引起不同程度的装夹变形，同时不合理的装夹方式没有起到“释放变形”或者“抵抗变形”的作用，加剧了零件的加工变形；

4.零件切削过程因素的影响：切削过程中切削力和切削热产生的应力和热应力作用导致零件产生变形。

零件变形解决措施

根据电子舱母板架的结构特点和变形情况，通过分析零件加工的整个过程，梳理出几条改善电子舱母板架变形量的措施：减小或消除材料应力；优化切削参数；提高零件加工刚性；改进装夹压紧方法。

上述措施组合实施，是一个改进、优化、再优化的过程，具体内容如下：

消除应力和优化切削参数

电子舱母板架原材料为T4状态的铝板，加工变形量大，因此特别申请了将T4状态铝板更改为T351消除应力状态铝板的工艺试验计划，在该工艺试验中，其他加工条件和原T4状态铝板相同，按照小切深大进给的轻切削方式，更改了数控加工工序的刀具和切削参数，修改的参数如表1所示：

上述工艺试验加工完成的电子舱母板架，经过校形，平面度能控制在0.3的合格线以内，但零件的四个边角，因曲翘变形，厚度尺寸不一致，局部超差，需要在其他方面继续改进。

提高零件刚性改进装夹压紧方法

在上述以消除应力状态的T351铝板做原材料的工艺试验中，在优化切削参数后，零件变形量大幅度减小，但仍没有达到合格要求，结合电子舱母板架在加工后是以中间最大腰形槽为中心在长度方向上弯曲变形的现象，制定了相应改进措施，具体如图4所示：

电子舱母板架中间变形量最大，为增加零件此处刚性以抵抗变形，中间腰形槽倒压板前不加工，并利用腰形槽位置增加两个压紧点，按照此方案加工完成的零件，变形量进一步减小，整体平面度在0.2-0.28，在合格范围内，但零件四个角变形导致厚度尺寸局部超差的情况没有明显改善，针对这个情况，制定进一步的改进措施，如图5所示：

零件四个角变形大，分析原因为利用两侧腰形槽压紧加工零件时，压紧点离四个角较远，抑制四个角位置变形的效果不好，改进措施如下：增加零件毛坯长度，作用是将四个角变形大的区域外移出零件，并将原来两侧腰形槽处的四个压紧点移到零件长度方向外侧，倒压板完成所有加工内容，最后去除零件长度方向余量。按照上述措施，最后加工完成的零件，变形量控制在了理想范围内，平面度0.1-0.15，四角厚度尺寸满足0.1的公差要求，实际公差一致性在0.07以内。

5 提高加工效率

通过上述一系列改进措施，电子舱母板架变形问题得到有效控制，平面度在0.12左右，而零件平面度合格要求是0.3以内，给实现加工效率提升留下较大改进空间，具体优化措施如下：

措施一：细化工艺，如图6所示，一是在5工序加工零件毛坯四方时，将宽度尺寸加工至最终尺寸130，并将原尺寸公差130±0.2压缩为130±0.05，以方便数铣工序的定位，保证一个批次零件加工过程的一致性；二是增加一道铣工工序（15工序）先加工工艺孔，减少数铣工序倒压板铣工艺孔的准备时间。

通过上述三个措施，加工效率提升明显，同时加工完成的电子舱母板架变形量变化不大，平面度最大0.17，仍远低于0.3，零件其他尺寸均合格。

6 总结

電子舱母板架经过试制批、工艺试验批及后续一个批次的持续改进及加工验证，零件变形量得到良好控制，尺寸合格，证明采取的改进优化措施是有效的。改进措施在改善加工质量的同时提高了加工效率，实现质量和效率的双提升。

参考文献

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