薄壁零件加工精度要求？南京薄壁類零件加工哪家企業(yè)好？
一：干貨分享 | 薄壁零件加工精度要求？
如今制造業(yè)中難加工材料大量應(yīng)用，其加工性能差與結(jié)構(gòu)整體化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和高材料去除率，給薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)制造裝備、工藝技術(shù)等也提出了更高要求。特別是大型弱剛性曲面結(jié)構(gòu)件、薄壁回轉(zhuǎn)體類零件、薄型多面體類等零件，在裝夾技術(shù)方面亟待突破。
薄壁零件加工的柔性工裝設(shè)計(jì)
航天類的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件具有弱剛性、形狀結(jié)構(gòu)相似等共性特征，同時(shí)型號(hào)種類呈現(xiàn)系列化發(fā)展特點(diǎn)，如艙體和端框類，舵面和翼面類等，這些零件的定位和夾緊規(guī)律性強(qiáng)。薄壁整體結(jié)構(gòu)在切削加工中零件剛性隨大量毛坯材料的去除而變化，結(jié)構(gòu)剛性低且復(fù)雜，因而客觀上要求加工中工件夾緊力要實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)零件整體動(dòng)態(tài)剛度的變化;需要進(jìn)行多點(diǎn)輔助支撐，以提高加工部位的局部剛度，減少薄壁變形。
帶傳感器的柔性工裝
綜合體現(xiàn)機(jī)電液一體化技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)的柔性工裝是近年來(lái)出現(xiàn)的先進(jìn)裝備技術(shù)，柔性工裝的技術(shù)特點(diǎn)是定位和夾緊元件為通用元件，可互換性好;定位夾緊位置可自適應(yīng)調(diào)整;夾緊力大小、方向和夾緊順序可自動(dòng)控制;驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)電液一體化部件;應(yīng)用位移、力和壓電傳感器元件。
柔性工裝技術(shù)可以使一套夾具滿足系列化多種尺寸規(guī)格的零件安裝要求，既具有機(jī)械式可調(diào)夾具和組合夾具的柔性，又具有特種專用夾具的高效性，適用于數(shù)控加工設(shè)備，可以使高速數(shù)控加工機(jī)床的性能得到更加充分的發(fā)揮，大幅度降低輔助準(zhǔn)備時(shí)間。
大型曲面結(jié)構(gòu)件加工方法
大型復(fù)雜鋁合金貯箱網(wǎng)格壁板是焊接成為貯箱的基礎(chǔ)零件，壁板按結(jié)構(gòu)不同，又可分為殼段壁板和筒段壁板，不同型號(hào)的殼段壁板或筒段壁板結(jié)構(gòu)又各不相同。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，壁板在保持足夠剛度和強(qiáng)度的前提下需盡量輕量化，所以其模型存在獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征。
壁板結(jié)構(gòu)
壁板制造采用整塊鋁制板材輥彎后進(jìn)行五軸銑削加工，整個(gè)加工工藝系統(tǒng)和加工過(guò)程具有區(qū)別于其他常規(guī)結(jié)構(gòu)件加工的特點(diǎn),這些特點(diǎn)主要包括：非規(guī)則蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)和口框等特征交錯(cuò)、整體相似與局部差異并存;宏觀大尺寸與局部變剛性特征相結(jié)合;多應(yīng)力耦合條件下的復(fù)雜轉(zhuǎn)變規(guī)律，使得壁板發(fā)生宏觀的翹曲變形以及不同網(wǎng)格位置的局部變形加大了不同網(wǎng)格壁厚的不均勻性。
壁板真空吸附裝置
針對(duì)貯箱壁板高效高精加工需求，可以真空吸附裝夾技術(shù)，通過(guò)真空吸附夾具吸附裝夾零件，使其受到均勻分布載荷的夾緊力，從而減少零件因夾緊力造成的變形，提高零件的加工精度。真空吸附柔性裝夾裝置的主要組成包括：壁板內(nèi)型面機(jī)銑加工大型真空吸附裝置、外型面機(jī)銑加工大型真空吸附裝置、真空發(fā)生系統(tǒng)、平臺(tái)一體化控制系統(tǒng)。其中，真空吸附裝置的主要組成包括鑄造形胎、轉(zhuǎn)臂氣缸和真空吸盤、閥塊模組、壓力傳感器、真空管路、快速接頭、手動(dòng)截止閥、密封條等組成。
真空發(fā)生系統(tǒng)的主要功能是提供持續(xù)、穩(wěn)定的氣壓差，確保吸盤能夠牢靠的吸住工件。真空發(fā)生系統(tǒng)的組成包括：真空泵、消音器、電磁壓差真空閥、高真空隔膜閥、真空阱、高真空手動(dòng)蝶閥、真空表、控制系統(tǒng)等，真空發(fā)生系統(tǒng)中重要的性能參數(shù)是其所能獲得的極限真空度和對(duì)容器的有效抽速。
薄壁回轉(zhuǎn)體類零件加工
艙體、端框等結(jié)構(gòu)件屬于典型薄壁回轉(zhuǎn)體類零件，這類結(jié)構(gòu)件的數(shù)控銑削加工柔性工裝可用于零件周向孔、槽、口框、型腔的銑削、鉆削與鏜削加工，而長(zhǎng)度方向和直徑方向的夾持范圍均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，工裝系統(tǒng)夾緊力范圍也可調(diào)，從而適應(yīng)多品種相似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的裝夾需求，其外圓車削夾具、內(nèi)腔與端面車削夾具均具備軟爪卡盤裝夾功能，以適應(yīng)薄壁結(jié)構(gòu)的小變形裝夾需求。
傳統(tǒng)裝夾條件下，薄壁回轉(zhuǎn)體類零件多采用機(jī)械壓板、悶蓋的組合裝夾方式，裝夾時(shí)間長(zhǎng)，裝夾可靠性完全依靠工人態(tài)度和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無(wú)法保證。根據(jù)薄壁回轉(zhuǎn)體類零件特征設(shè)計(jì)液壓柔性工裝系統(tǒng)，形成軸向夾緊位置可調(diào)，夾緊與浮動(dòng)支撐結(jié)合，多點(diǎn)自動(dòng)定心的柔性?shī)A緊技術(shù)，從而滿足不同直徑和不同長(zhǎng)度的回轉(zhuǎn)體類零件夾緊需求。
薄壁回轉(zhuǎn)零件銑削加工柔性工裝
多類型號(hào)的艙體、端框等薄壁回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件均可采用同一套夾具裝夾，柔性?shī)A具的軸向行程徑向行程均可以調(diào)整，軸向夾緊位置可以隨艙體外形加工的位置而改變，解決加工干涉問(wèn)題。通過(guò)液壓站控制系統(tǒng)壓力和夾緊力大小，采用有限元仿真分析不同夾緊力條件下，零件裝夾變形情況，從而確定最優(yōu)夾緊力。夾具底部采用360度轉(zhuǎn)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)艙體等回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件不同位置的旋轉(zhuǎn)和加工。
薄壁件外圓夾持示意
在艙體類零件的外圓與內(nèi)腔加工中，六爪或八爪卡盤特別設(shè)計(jì)適于薄壁件和易變形工件的多點(diǎn)夾持。多爪卡盤基爪兩兩相連可浮動(dòng)向心夾緊，這樣使多個(gè)夾緊點(diǎn)的力方向皆指向中心，保證工件不易變形。同時(shí)，此種設(shè)計(jì)使得在卡盤上直接使用傳統(tǒng)卡爪成為可能，并兼具離心力補(bǔ)償。
薄型多面體類零件加工
薄型多面體類零件一般有較高的空氣動(dòng)力學(xué)要求，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，表面加工質(zhì)量要求較高。這類結(jié)構(gòu)件以多斜面為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刃口部位局部最薄壁厚不足0.5mm，零件材料去除率達(dá)70%以上，典型零件對(duì)象包括舵面、翼面、罩板等。
傳統(tǒng)裝夾模式下，針對(duì)薄型多面體類零件舵采用機(jī)械壓板夾緊，裝夾時(shí)間長(zhǎng)，裝夾可靠性完全依靠工人經(jīng)驗(yàn)和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無(wú)法保證。根據(jù)薄型多面體類零件特征設(shè)計(jì)液壓柔性工裝系統(tǒng)，通過(guò)合理分布夾緊點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)壓緊和壓緊力控制，形成適用于多種型號(hào)舵面、翼面類零件的柔性工裝系統(tǒng)。
舵翼類在加工過(guò)程中需要進(jìn)行兩面加工，因此需要設(shè)計(jì)兩套柔性工裝系統(tǒng)來(lái)分別完成正面和反面的加工，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。以翼面零件為翼面零件毛坯正面夾緊采用六個(gè)液壓轉(zhuǎn)角下壓油缸完成六個(gè)位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設(shè)計(jì)，防止在零件加工時(shí)底座干涉。通過(guò)液壓站控制系統(tǒng)壓力控制六個(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力大小，采用有限元仿真分析不同夾緊力條件下，零件裝夾變形情況，確定最優(yōu)夾緊力。
在完成正面加工后，利用正面夾緊工藝搭子，反面夾緊采用六個(gè)液壓轉(zhuǎn)角下壓油缸完成與正面相同的六個(gè)位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設(shè)計(jì)，防止在零件加工時(shí)底座干涉。
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薄壁筒類零件的加工方法：
薄壁件目前一般采用數(shù)控車削的方式進(jìn)行加工，為此要對(duì)工件的裝夾、刀具幾何參數(shù)、程序的編制等方面進(jìn)行試驗(yàn)，從而有效地克服了薄壁零件加工過(guò)程中出現(xiàn)的變形，保證加工精度。影響薄壁零件加工精度的因素有很多，但歸納直來(lái)主要有以下三個(gè)方面：
(1)受力變形
因工件壁薄剛性很差，車削是裝夾不當(dāng)在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而因?yàn)榍邢髁爸亓τ绊懯构ぜl(fā)生彎曲變形從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。
(2)受熱變形
因工件較薄散熱性能較差，在切削熱的作用下會(huì)引起工件熱變形或膨脹，使工件尺寸難于控制。
(3)刀具磨損
由于薄壁工件較長(zhǎng)一次走刀時(shí)間很長(zhǎng)因此在切削過(guò)程中受振使刀具磨損較大從而影響工件的尺寸精度。
（4）跟刀架及中心架的使用
車超薄壁件時(shí)由于使用跟刀架，若支承工件的兩個(gè)支承塊對(duì)零件壓力不適當(dāng)，會(huì)影響加工精度。若壓力過(guò)小或不接觸，就不起作用，不能提高零件的剛度：若壓力過(guò)大，零件被壓向車刀，切削深度增加，車出的直徑就小，當(dāng)跟刀架繼續(xù)移動(dòng)后，支承塊支承在小直徑外圓處，支承塊與工件脫離，切削力使工件向外讓開(kāi)，切削深度減小，車出的直徑變大，以后跟刀架又跟到大直徑圓上，又把工件壓向車刀，使車出的直徑變小，這樣連續(xù)有規(guī)律的變化，就會(huì)把細(xì)長(zhǎng)的工件車成“竹節(jié)”形。造成機(jī)床、工件、刀具工藝系統(tǒng)的剛性不良給切削加工帶來(lái)困難，不易獲得良好的表面粗糙度和幾何精度。
（5）同軸度難保證
工件內(nèi)孔由深孔完成后，再精車外圓，深孔加工中難免有橢圓、錐度以及跳動(dòng)等因素，影響外圓同軸度和跳動(dòng)。
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薄壁零件加工工藝實(shí)例講解
為解決鋁合金薄壁零件在機(jī)械加工中由于變形影響零件的尺寸、形位公差的問(wèn)題，以高速、低進(jìn)刀、低切深的加工方法，通過(guò)一次裝夾完成零件全部關(guān)聯(lián)尺寸的加工，從而降低零件在加工過(guò)程中由切削力過(guò)大而引起的變形，避免加工基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不能重合產(chǎn)生的誤差，提高零件的尺寸精度和形位精度。
1. 問(wèn)題的提出
在零件的機(jī)械加工過(guò)程中，常常會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生變形，尤其是有色輕金屬如鋁、鎂合金的加工。內(nèi)應(yīng)力引起的翹曲、側(cè)彎和扭曲等形式的變形頻繁出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響零件的加工質(zhì)量及加工效率，特別是對(duì)于薄壁、薄板類零件表現(xiàn)得尤為突出。如何最大限度地減少或消除零件的變形，保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，多年來(lái)一直是我們研究的課題。
2. 原因分析
為提高鋁合金的加工和使用性能，在加工前需要通過(guò)熱處理（淬火處理+時(shí)效處理）的途徑提高強(qiáng)度。材料在淬火過(guò)程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，時(shí)效過(guò)程不能完全釋放淬火過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，在后續(xù)的機(jī)械加工過(guò)程中，新的切削應(yīng)力產(chǎn)生，隨著材料的不斷去除，內(nèi)應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破，內(nèi)應(yīng)力重新分布，直至達(dá)到新平衡過(guò)程而產(chǎn)生變形，使零件失去應(yīng)有的加工精度。而且當(dāng)零件表面的應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生裂紋。
3. 解決辦法
針對(duì)以上原因，對(duì)于鋁合金薄壁、薄板類零件采用“套材”法進(jìn)行加工?！疤撞摹狈ň褪且淮窝b夾完成所有尺寸加工后，再將零件從毛坯中掏出的加工方法。套材過(guò)程包括銑上面→粗銑內(nèi)腔→粗銑外形→精銑外形→精銑內(nèi)腔→精銑底面→點(diǎn)（鉆）孔→切斷等工藝。由于整個(gè)過(guò)程是在一次裝夾中完成的，在切斷之前，由于零件與毛坯材料底面連接，所以內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生不會(huì)造成零件有較大變形，在整個(gè)過(guò)程中零件尺寸穩(wěn)定。在切斷時(shí)，需要讓毛坯材料與零件材料在底面有0.1mm粘連，以保證在整個(gè)“套材”過(guò)程中零件有足夠的強(qiáng)度抵抗加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。
將零件從毛坯中切下后，零件雖由于應(yīng)力釋放而發(fā)生變形，但是零件上各相對(duì)尺寸不會(huì)改變，只需要增加校正工序校平底面所有尺寸、形狀均可恢復(fù)正確。
4. 應(yīng)用實(shí)例
如圖1所示為鋁合金薄板零件，我們應(yīng)用“套材”法進(jìn)行加工，方法如下：
（1）工藝過(guò)程制定：由于零件最終厚度為2mm，在下料機(jī)加工過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生變形，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體加工工藝流程為下料→時(shí)效→銑基準(zhǔn)→磨基準(zhǔn)→去毛刺→銑外形（“套材”法加工）→去毛刺→校正→檢驗(yàn)→入庫(kù)。通過(guò)時(shí)效工序消除下料過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力；通過(guò)銑基準(zhǔn)、磨基準(zhǔn)工序，保證基準(zhǔn)平面與夾具定位面完全接觸，定位準(zhǔn)確可靠，從而保證銑外形工序中厚度方向的所有尺寸。由于這兩道工序?qū)儆谝?jiàn)光加工，所以在此過(guò)程中產(chǎn)生的微小應(yīng)力引起零件的變形量不會(huì)影響加工尺寸；通過(guò)銑外形（“套材”加工）完成零件所有尺寸加工；通過(guò)去毛刺工序去除加工過(guò)程中產(chǎn)生的各種毛刺、飛邊，保證后續(xù)加工定位精準(zhǔn)；通過(guò)校正工序校正由于大余量加工后零件產(chǎn)生的變形；檢驗(yàn)工序檢驗(yàn)零件所有尺寸與圖樣要求的符合性；最后入庫(kù)提交。
（2）毛坯尺寸確定：毛坯長(zhǎng)度
式中，H毛坯為毛坯厚度；H零件為零件總厚度。
（3）裝夾方式確定：由于零件外形尺寸較小，采用組合夾具，以底面定位，壓住零件邊沿即可（見(jiàn)圖2）。壓板必須均勻分散在毛坯的周邊，保證整個(gè)加工過(guò)程中零件底面與夾具緊密貼合。壓緊位置必須在刀路邊界之外，避免在加工過(guò)程中銑刀壓板。
1.零件輪廓 2.刀具 3.毛坯邊界4.刀路邊界 5.壓板
（4）“套材”過(guò)程實(shí)施：
①刀具的選用。為在套材過(guò)程中減少零件變形量，在保證加工效率的前提下，盡量選用直徑小的刀具。刀具越小，加工過(guò)程中的切削力就越小，產(chǎn)生的應(yīng)力也越小。本零件加工選用φ 6mm立銑刀。②切削用量的確定。為減少切削力，按高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給和小切深的原則選用切削用量。根據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床的剛性和最高工作轉(zhuǎn)速，選擇轉(zhuǎn)速S=4 000r/min，進(jìn)給速度F=1 000mm/min，徑向切深= 50%D刀具，軸向切深0.2mm。
③程序的編制。銑外形在銑加工中心上進(jìn)行，利用編程軟件按照零件圖樣建立數(shù)字模型后按“套材”法包含過(guò)程中的刀路順序編制數(shù)控程序，編程過(guò)程中按前述選擇刀具和切削用量（見(jiàn)圖3）。
（5）實(shí)施效果：通過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，校正后的零件所有尺寸均滿足圖樣要求。銑外形工序?qū)嶋H加工時(shí)間為33min，滿足批生產(chǎn)要求。
5. 結(jié)語(yǔ)
“套材”法目前已經(jīng)在我廠鋁合金結(jié)構(gòu)件批生產(chǎn)加工中廣泛應(yīng)用。不僅提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且因?yàn)槭且淮窝b夾完成所有尺寸加工，從而避免了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)不重合而引起的誤差，避免因尺寸鏈換算而壓縮公差，簡(jiǎn)化了工藝規(guī)程制定過(guò)程和零件的加工過(guò)程。
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