异形悬臂零件工艺设计加工研究

异形悬臂零件工艺设计加工研究

肖俊 ,罗世宇 ,郑少应

遵义精星航天电器有限责任公司

摘要：本文通过某薄壁悬臂支架在铣削过程中变形因素分析，结合集成加工应用，提出合理的加工策略，通过优化工步，合理规划切削加工的先后顺序，利用剥层去除的切削方式减小切削力，集成加工使零件的双向应力释放抵消，配合毛坯原材料提高辅助支撑强度，达到控制薄壁悬臂件切削受力变形、抑制应力释放变形及防震颤的效果。

关键词：薄壁悬臂件集成加工切削应力防变形

一、引言

随着科技的日益发展，航空航天技术、国防科技便成为衡量一个国家综合国力和科技实力至关重要的标志[1]，对于我国高端制造能力的提升，在谋求科技发展的道路上，航天工业技术研究具有重要的战略意义。在航天元器件中多为轻型薄壁结构件，轻量化要求的提高，同时薄壁结构特征致使零件整体强度越发降低，在机加成形过程中增加了其加工难度。随着各配套电连接器件的更新，零件技术要求越来越高，支架零件作为连接电器内部的重要部件，起着电器内各元件之间的定位和支撑链接作用。本文选取某一悬臂支架作为研究对象，结合理论分析与实验加工相结合，使用四轴转台对该类零件进行集成加工，对开放式悬臂薄壁件在加工过程中受切削力和残余应力影响导致零件变形进行研究，利用毛坯原材料辅助支撑悬伸力臂与切削应力释放抵消结合，探索异形薄壁悬臂件防变形工艺研究。

二、零件加工变形因素分析

薄壁件加工变形，会受很多因素影响，除刀具材料及规格、切削参数、切削方式和切削过程中振动会导致零件变形外，在切削过程中还包括其他因素对零件变形和表面质量都有影响，如毛坯原材料、零件结构、装夹方式、切削力、毛坯去除后的应力释放以及冷却效果等几方面都会导致零件变形。

如下图一所示某悬臂薄壁支架零件，其整体结构为开放式悬伸薄臂零件，仅三个凸台支撑，原加工工艺为多工序分散加工，从三个凸台面开始加工，线切割辅助割断后，再反面装夹铣平面保证零件总高和悬臂厚度。铣平面工序夹紧时，零件没有可稳定夹持的受力面，导致夹紧不稳固，在去除底面毛坯余量过程中，刀具与待加工材料接触产生的切削力引起刀具与工件震动，零件悬臂脱离夹具定位基准面，此时工件处于松动状态，在加工悬臂处振动明显，致使悬臂尺寸超差及震纹严重，悬臂0.6的厚度，靠近顶部厚度尺寸0.46mm，靠近根部0.76mm,是其整个结构中尺寸超差最严重的部分，待底部整体余料去除后，工件失去支撑点，夹具松开后切削应力释放，零件整体弯曲变形。据上述现象归纳得出：零件结构、切削应力、加工工艺排布与定位装夹合理性均对零件变形有不同程度影响，尺寸超差范围无法控制。

图一

三、加工工艺方案策划

根据上面零件变形的因素分析，加工工艺排序不合理，零件结构无受力支撑导致零件变形的情况，结合图一零件结构特征，重新优化工艺，采取如下方案进行：将分工序加工工艺调整在S500Z1的四轴设备集成加工，以整个毛坯材料贴合到四轴桥板上，采用压板配合紧固螺栓锁紧压实，将材料固定于能随四轴回转的桥板上，遵循先难后易的加工原则，用剥削分层加工的方式切削。根据零件支点分布及变形原因确定悬臂为优先加工部分，从顶部逐一向下去除毛坯，保证已加工成型的部分不再受力，让待加工毛坯为零件的支撑点，旋转桥板选择加工面，对悬臂台阶直角清角加工，去除内腔毛坯，台阶孔加工，筋板上的螺纹孔，及背部凌边周圈C0.2倒角加工，直至整体加工完后使用锯片铣刀切断。

四、切削防变形工艺研究

加工工艺优化后，控制加工变形主要针对切削路径、切削参数、刀具大小等几个方面。切削路径对工件变形的影响主要体现在两个方面；（1）切削加工残余应力对变形的影响，切削路径不同，加工残余应力释放顺序及部位不同。（2）工件结构刚性对变形的影响，不同的切削路径对工件生产的切削应力不同，变形部分及特征也有所区别；优化切削刀具路径，可以控制完工特征的残余应力变形和弹性变形，通过铣加工验证分析，得到加工变形量与切削路径的关系，得到针对开放式悬臂类工件，优选切削路径为外环剥削铣削加工路径，这种走刀路径对加工变形量最小。切削参数的影响。切削参数对变形的影响体现在切削量大小，切削量过大后，增加进给阻力，致使工件挤压变形，对薄壁与悬臂件的加工，采用高转速少切削量来减小切削力[4]。刀具大小对工件变形的影响体现在刀具的强度，当刀具直径大于、等于和小于加工部件时，所产生的挤压力完全不同，所选刀具越小，工件与刀具作用力随之减小，在薄壁悬臂处加工更平稳。

4.1．悬臂振动防变形研究

悬臂变形主要体现在台阶厚度部分，为防止悬臂变形，在铣削工步作以下调整，先桥板设置于90度工位，利用铣刀侧刃加工零件保证整体厚度，此时的毛坯材料厚度有足够强度，加工过程无应力变形因素，侧刃满刃一次切削，所加工外形表面无接刀痕迹，在保证厚度尺寸的同时提高了表面质量。待外形加工完后转换加工面，将工件旋转至0度工位，利于较小的刀具单独分层加工悬臂台阶位成型，此时两悬臂内侧中间毛坯余料与悬臂处于连接状态，对悬臂特征强度具有良好支撑性，使悬臂保持足够强度，避免切削过程中受刀具切削力影响，使悬臂产生震颤，以及薄壁正反面几乎同时加工，正反面加工的切削应力能有效相互抵消，避免悬臂特征应力变形，该方法使悬臂台阶加工更稳定，避免悬臂处无支撑造成悬臂震纹、变形和尺寸明显超差的质量问题。

4.2．清角切削防变形控制

悬臂台阶清角采用手工刃磨插刀插削加工，此方法利用刀具切削刃快速插削，采用增量编程，微量切削，快速进刀加工。此加工方法侧面摩擦小，但底部冲击力较大，为减小切削阻力，通过减小插刀切削刃角度，避免切削残料在底部堆积产生积屑瘤，在插削加工的废屑堆积后，插刀刀尖未达程序指定深度时，切削残料与刀具产生挤压，增加了插削加工的冲击力，也是悬臂变形的重要原因，为保证插削加工时悬臂具有足够支撑强度，将插削工步调整到加工悬臂台阶后，悬臂间的余料起到相同的支撑力与抗冲击力，有效抑制了插削清角时悬臂变形。

4.3．整体切削防变形控制

零件整体加工中出现变形原因，切削顺序也是导致工件整体变形的关键，在铣削加工去除毛坯时，刀具路径的先后顺序直接决定零件整体内应力释放区域和变形区域，该零件弯曲变形与加工背部凌边周边倒角C0.2直接相关，对凌边倒角加工，都是在整体工序完成后使用成型刀具加工，按此加工，悬臂顶部与薄壁中间部分无支撑点，刀具切入产生的切削力、挤压力、震颤等，多因素导致悬臂变形及凌边倒角C0.2大小不一制，为规避以上的变形因素，对此处的背部倒角工艺需调整至去除内腔毛坯前，在悬臂清角完后，将桥板旋转到180度工位，加工背部周边倒角C0.2，此时背面还是一个整体面，强度支撑性好。刀具切入工件时，此时毛坯余料起到辅助支撑力臂作用，整体强度高，切削加工平稳，此工步的调整避开了切削力对悬臂挤压变形的难题，周边倒角均匀一致。为达到集成加工保证尺寸一致性，将桥板旋转至0度工位，对毛坯切除及表面台孔特征进行加工，两悬臂中间的残料是整个零件的支撑面，铣削去除残料过程中，若利用底刃分层切削，当铣削深度到最后一层时，残余毛坯料形状呈薄片状态，当刀具横向进给接触到残料时直至铣削完成，残料与刀具全程处于严重弹动状态，零件瞬间失去了支撑点，零件整体应力释放，直接导致悬臂弯曲变形。鉴于此变形问题所在，调整加工思路，采用刀具侧刃径向剥削切削，下刀深度超过零件底面最低点，切削过程刀具与工件的关系为已加工面与刀具不再接触，毛坯残余料成为已加工特征与待加工位置的支撑点，降低了切削力矩对已加工特征的影响，悬臂间的残料去除是渐渐消除，减少了零件整体的受力变形，直至整个零件开放结构成型后台阶特征及螺纹加工完成，有效避免残料弹刀及零件应力瞬间释放，有效解决零件变形的难题。

五、结论

针对开放式薄壁悬臂件在加工中变形因素综合分析得知，零件结构特性，加工工艺路线，定位夹持，切削力，切削应力和材料残余应力的释放等因素是切削加工中对零件变形主要根源。分析出零件在加工过程中的难易点，变形部件支撑点位置，切削原则遵循先难后易，根据零件在切削过程中受切削力和应力释放变形分析，优化加工工步，调整切削刀路铣削顺序，将残余材料作为整个零件的支撑点，利用剥层切削方式可有效控制切削过程中零件因切削力、刀具振动、材料消除后的应力变形，利用桥板回转功能，集成加工可提高零件尺寸位置精度及整体质量一致性，达到了集成加工的效果，为薄壁件加工防变形提供工艺参考。

参考文献

[1]王志刚.钛合金薄壁件铣削路径优化[D].沈阳理工大学,2014,

[2]罗宇.大型薄壁件加工变形预测及其影响因素研究[D].哈尔滨工业大学,2017,

[3]张晋.铝合金薄壁构件加工变形及残余应力研究[D].天津大学,2018,

[4]刘仲权.薄壁零件加工变形分析及工艺实验[D].哈尔滨工业大学,2011.