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编者注
针对铝合金薄壁件在数控铣削加工中的变形问题，通过分析零件原材料性质、铣削前后残余应力的分布、刀具及切削工艺参数的选择、不同精度工装的使用等，确定了影响零件变形的主要原因，介绍了目前的变形控制方法及国内外的研究现状，为薄壁件数控铣削加工提供理论依据和研究方向。
1 前言
目前，航空航天工业对飞机的机动性、稳定性、经济性等要求越来越高。研发单位在满足飞机使用要求的前提下，既要保证满足飞机结构强度、刚度的要求，又要满足减轻飞机整体重量的要求。基于航空飞机减轻重量的要求，钢、铝、钛合金薄壁零件得到了广泛的应用。
薄壁零件是指壁厚与曲率半径之比小于1：20的回转体零件，或壁厚小于3mm的框架、梁、壁板、腹板、肋条类零件。图1、图2为飞机上应用的典型薄壁腹板、梁类零件。由于薄壁零件的特点，受毛坯去除量大、工艺复杂等因素影响，在加工过程中容易产生变形。切削时的切削力、夹紧力也会引起薄壁零件的变形。同时，零件材料、工件几何形状及刚度、残余应力、数控加工工艺缺陷、切削参数设置不合理、工装夹具精度不够等因素都会影响零件的加工精度。薄壁零件变形过大，会影响零件的质量、使用寿命和装配精度，甚至影响飞行安全。
综上所述，薄壁件数控加工的变形控制是非常必要的，铝合金是航空企业应用最为广泛的薄壁材料，具有密度低、重量轻、壁厚薄、精度高、连接牢固等特点。本文针对铝合金框架薄壁件加工，从多个方面分析数控铣削变形的原因，总结变形控制的相关工艺及解决方案，并介绍国内外薄壁件变形控制方法的研究现状。
图1 铝合金腹板薄壁件
图2 薄壁铝合金梁件
2 薄壁件铣削加工变形原因分析及控制方法
影响薄壁零件铣削加工精度的因素很多，包括零件原材料的初始性质、零件设计的几何形状与刚度要求、铣削前后残余应力的分布与释放、刀具及铣削工艺参数的选择、夹具结构的设计、加工方式与加工设备的选择等。由于零件壁薄，整体刚度差，铣削加工后应力分布不均匀，因此在一定的切削力和夹紧力作用下，薄壁零件容易发生变形。数控铣削加工中薄壁零件的变形与控制是一个多学科问题，主要涉及材料力学、金属切削、刀具设计、材料学、材料成形和机械制造等领域。如何完美地控制薄壁零件铣削加工中的变形是航空航天产品加工技术中一直存在的问题之一[1]。 目前，经过科研人员大量的研究分析，总结出影响数控铣削薄壁件变形的主要因素，包括以下四个方面。
（1）原材料的物理性能与设计结构航空铝合金材料的弹性模量一般在70GPa左右，约为钢结构材料的1/4。由于铝合金原材料的弹性模量较小，韧性较大，在数控铣削加工过程中，特别是大型框架、腹板、壁面薄壁零件，容易产生变形、回弹和“切回”，对零件精度的影响不容忽视。从大多数航空航天产品制造加工实例看，在同样的加工条件下，铝合金零件的变形量远大于钢零件。另外，框架类薄壁零件大多形状复杂，薄壁部位多，硬度低，结构不对称，对零件加工精度会造成很大影响。
（2）毛坯残余应力毛坯是未经进一步加工的零件，铝合金板材为了获得良好的力学性能，一般要经过轧制、拉伸、热处理、时效等一系列工艺流程，在这些过程中会产生不均匀的应力场和温度场，导致板材中产生残余应力。在毛坯状态下，残余应力以平衡状态存在于板材中。随着切削加工的进行，零件内的应力失去了原有的平衡状态。零件毛坯中的残余应力因切削而发生变化，一部分残余应力随切屑和切削热被带走，另一部分残余应力则因切削热和切削力的影响而增大。残余应力的分布是不均匀的，为了使零件内部力达到均衡分布，只有使零件变形才能恢复内部应力平衡。经数控切削加工的铝合金零件，受切削热、切削力和切屑的影响而留下的残余应力深度一般在0.1mm左右。 当零件的设计厚度较大时，其铣削加工后的刚度也较大，此时切削热、切削力和切屑产生的残余应力不足以克服零件原材料的屈服强度，产生塑性变形。但对于厚度小于2mm的中、大型航空薄壁零件，切削热、切削力和切屑产生的残余应力足以克服零件原材料的屈服强度，引起塑性变形。大量调查研究表明，毛坯残余应力是影响薄壁零件变形的重要因素之一[2]。
（3）刀具与切削用量铝合金材料刚性相对较差，塑性较好，选择合适的刀具材料对零件加工精度至关重要。切削铝合金时，铣刀应选用硬度高、抗冲击、耐磨性好的材料，选用与工件材料亲和性小的材料，避免刀具变形、刃口卷曲和刀具卡死等现象。实际工程应用中，建议采用涂层硬质合金刀具。
切削用量的选取不仅对零件的精度有很大影响，而且影响机床的工作状态。选择切削用量时，主要考虑机床功率、毛坯材料、刀具直径、刀具长度等因素。实际铣削加工中，提高铣削速度vc不仅可以大大提高金属去除率，而且可以优化零件的表面加工质量。在目前的研究中，对于大型铝合金梁、墙板、腹板、框架等薄壁结构件，多以切削力作为铣削速度的选择标准。铣削力随进给量fz的增大而增大，切削力越大，零件加工质量越差。在对零件进行精加工时，应选取相对合适的进给量。实际加工中，通常选取0.1~0.15mm/z的进给量，这样既可以保证适中的铣削力，又可以保证零件的加工效率。数控铣削加工中，切削深度和切削宽度对零件的加工精度和表面加工质量也有重要的影响。 实际加工中，采用小切削深度、大切削宽度，即“浅切快走”铣削方法，可有效提高零件的精度和表面质量。一般建议切削深度为1～5mm，切削宽度为0.3D～0.7D（D为刀具直径）。
刀架主要起着传递数控机床扭矩输出和数控机床原始精度的作用，刀架一端连接机床主轴，另一端连接刀具。由于高精度铣削对刀架的要求极高，刀架必须具备高精度、高强度、高重复夹紧精度的特点。目前，锥形空心刀架在高速切削机床上应用广泛。同样，利用热胀冷缩原理的热缩刀套夹紧系统因能满足超高速切削特点，在一些特殊的深腔零件或复杂薄壁零件的加工中得到广泛的应用。此外，在加工一些特殊的薄壁零件时，也会用到角度头。角度头对机床精度、扭矩、主轴角度的传递也会影响零件的精度。
（4）零件装夹零件装夹是机械加工中最基本的步骤。薄壁零件的装夹方式主要有机械、液压和真空装夹[3]。装夹主要包括定位和夹紧，定位和夹紧相互影响，无主次之分。合理的装夹和定位对零件的加工质量和加工精度有十分重要的影响。首先，将毛坯正确地放置在夹具中，保证夹紧力适中、作用点和方向准确。为提高加工精度，要注意调整夹紧力的分配，避免出现集中的装夹问题，尽量装夹在刚性好的位置。如果夹紧力过大，薄壁零件在加工过程中极易变形，产生“咬边”现象； 若夹紧力太小，薄壁零件在数控切削加工过程中，会因切削力的变化而产生振动，而且刀具可能会对零件产生“过切”，造成零件表面几何变形过大，增加零件报废的风险。
除上述主要因素外，机床定位精度、重复定位精度、工艺程序铣削路径、夹具刚性、铣刀磨损、刀具及零件切削热影响、冷却系统等因素均对铣削薄壁件的加工精度和控制变形产生影响。要想全面深入地了解薄壁件数控铣削变形的机理，需要科研人员、工艺人员和操作人员共同对薄壁件数控加工的全过程及影响变形的因素进行深入的分析和研究。
3 薄壁件数控加工变形控制研究现状
目前，德国、日本、美国、法国、英国等工业制造水平较高的国家，在铝合金薄壁件数控铣削变形控制方面已积累了多年的经验，并取得了重要进展。这些国家在数控机床、加工刀具、数控控制系统、夹具及零件原材料，以及数控加工技术理论研究和生产实践方面都具有一定的优势。美国密歇根大学研究开发了能有效控制大型整体结构件和腹板型薄壁件数控铣削变形的铣削路径优化理论和计算机有限元仿真软件[4]。法国巴黎航空航天技术学院与其国家航空航天局联合建立了专门的强度实验室，主要研究如何解决航空航天飞行器大型整体结构件的设计问题和加工制造变形问题，同时对工艺规划优化方法、零件安全修正技术等进行了深入研究[5]。但由于涉及国防关键技术，目前只发现了一些关于变形控制的子技术。 为了解决单主轴数控铣削薄壁零件的变形问题，日本IWABE等提出了并联双主轴加工解决方案[6]。Tlusty等提出了充分合理地利用零件本身整体刚度的铣削加工方案钢结构应力和变形受力分析计算书，大大提高了零件铣削变形控制能力和生产效率[7,8]。
国内对航空航天薄壁铝合金零件变形预测与变形控制的研究主要集中在高校和科研院所，包括航空工业制造研究院、中科院金属研究所、北京航空航天大学、南京航空航天大学、大连理工大学、沈阳航空航天大学等。一些制造企业也在开展薄壁件变形控制的相关研究，如沈阳机床股份有限公司、上海优利工业服务有限公司、航空工业成飞、中航工业西安飞机股份有限公司等。北京航空航天大学的梅忠义等对飞机大型圆弧形薄壁件在数控铣削过程中的变形进行了研究，分析了数控加工过程中切削应力、夹紧结构对铣削件变形的影响，提出了变形控制方案[9-11]。吴凯等[12]对薄壁件变形控制进行了系统研究，并提出了相应的控制方案。 南京航空航天大学的杨文斌等利用数值模拟技术分析了框架梁结构件腹板、肋条及翼缘的变形规律，提出了一种薄壁框架梁零件数控加工的变形控制方法，即大切深法和分布式环状切削法，可有效利用薄壁零件的刚度来减小变形，提高数控铣削精度[12-14]。航天特种材料与工艺技术研究所的苗为民、何炜总结了零件加工前后残余应力释放、加工过程中热应力分布、装夹力大小对变形的影响，提出利用计算机有限元仿真分析，通过优化高精度夹具和数控铣削路径来控制薄壁零件的变形趋势[15，16]。 沈阳航空航天大学的余进、高延良提出利用ABAQUS仿真预测薄壁件变形，通过遗传算法获得最优的多点柔性工装夹紧系统，并通过实际零件加工验证理论模型的准确性[17-19]。
4。结论
薄壁铝合金零件数控加工的变形控制方法十分复杂，由于薄壁零件具有壁厚薄、刚性差、密度低等特点钢结构应力和变形受力分析计算书，影响薄壁零件变形的因素很多，主要包括零件原材料的性能、铣削前后残余应力的分布、刀具及切削工艺参数的选择、不同精度工装的使用等。本文详细分析了刀具材料、切削工艺参数、刀架结构及零件工装夹紧力等对薄壁零件数控铣削的影响，并总结了当前变形控制方法及国内外研究，为国内工艺人员及数控操作人员控制薄壁零件数控铣削的变形提供了一定的理论依据。
专家点评
铝合金薄壁件数控铣削加工中变形的原因十分复杂，变形控制涉及多个学科。作者全面分析了影响变形的主要因素，以及刀具材料、切削用量、刀架结构、刀具夹紧力等对铣削变形的影响及控制方法。
文章论证准确，分析透彻，亮点在于对薄壁件铣削变形的原因及各种因素对变形控制的影响进行了分析，抓住了问题的关键并进行了深入研究，客观总结了当前国内外变形控制方法及研究方向，为薄壁件铣削变形的控制提供了参考。
参考：
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本文发表于《金属加工（冷加工）》2024年第4期，第35-38页，作者：沈阳飞机工业（集团）有限责任公司张占昌、徐继文、孙国燕、陈辉、刘彪，原标题：《铣削薄壁铝合金零件变形原因分析及控制方法》。
