薄壁零件憑借著自身質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)在這個現(xiàn)代化的社會，特別是現(xiàn)在的航空領(lǐng)域已經(jīng)深深站穩(wěn)腳跟，并且在以后的發(fā)展中，勢必也會有它的一席之地。但是，就目前的加工工藝以及加工方法來看，因?yàn)楸”诹慵陨韯偠容^低的原因，所以工件在加工工程中出現(xiàn)變形的問題依然限制薄壁零件大規(guī)模發(fā)展的原因之一，特別是一些傳統(tǒng)的加工方法，現(xiàn)在已經(jīng)面臨淘汰，數(shù)控加工是未來工件加工的一個必然的發(fā)展趨勢。
1、薄壁零件的分類及特點(diǎn)
生活中常見的薄壁零件的形狀一般為圓環(huán)形、殼體形以及平板形，這些零件的結(jié)構(gòu)尺寸一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度，而當(dāng)其的結(jié)構(gòu)尺寸或者曲率半徑與自身厚度之比大于20的時候，我們稱這種零件為薄壁零件。薄壁零件可以按照最基本的材料屬性進(jìn)行劃分，一般有鈦合金、塑料以及一些復(fù)合材料，這些不同材料加工出的薄壁零件具有不同的性質(zhì)，可滿足各種市場的需求，而本文主要對鈦合金薄壁零件的高精度加工方法進(jìn)行分析。薄壁零件幾乎都是由薄型板和加強(qiáng)筋條構(gòu)成，這也是薄壁零件質(zhì)量輕的原因所在，通過制造不同規(guī)格的薄壁零件，可適用于各種用途。按照結(jié)構(gòu)用途可以將薄壁零件分為梁類、接頭類、壁板類以及肋類等類型，這些不同類型的零件都是具有各自獨(dú)特的形狀，完成各自的功能。但是，這種薄壁零件自身的特性使得生產(chǎn)過程較困難，因?yàn)楸”诰哂休^低的剛度，所以在加工過程中，很容易出現(xiàn)變形等情況，導(dǎo)致生產(chǎn)出的薄壁零件不符合標(biāo)準(zhǔn)。由此，可以看出，對薄壁零件的加工方法的分析以及對其加工工藝的優(yōu)化是十分有必要的，對于推進(jìn)薄壁零件加工行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。
2、影響鈦合金高精度薄壁零件加工精度的因素
在實(shí)際對薄壁零件的加工過程中，影響鈦合金高精度薄壁零件加工精度的因素不計(jì)其數(shù)，其中，主要的影響因素可以參見圖1，一般來講，工件的屬性、刀具、機(jī)床這些都會對薄壁零件的加工精度造成影響。例如，如果因?yàn)楣ぜ陨淼膭偠炔蛔悖诩庸み^程中可能出現(xiàn)的變形就會導(dǎo)致較大的精度損失，所以，在加工過程中，盡可能減少或者避免工件出現(xiàn)變形的情況，這是提高薄壁零件加工精度最高效的方法。
2.1裝夾因素對零件變形的影響
裝夾工藝是整個薄壁零件加工工藝的核心工藝之一，不管是采用何種加工方式，裝夾工藝的好壞都將直接決定著薄壁零件的加工質(zhì)量。對于薄壁零件的加工，裝夾方案、夾緊點(diǎn)位置和夾緊力等決定著被加工零件的質(zhì)量。如果采用不合適的夾緊點(diǎn)位置或者夾緊力，可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)不同程度的變形，也會在很大程度上影響零件的加工精度。特別是在機(jī)床上進(jìn)行薄壁零件的加工時，裝夾工藝的重要性體現(xiàn)得淋漓盡致，其中，30%～50%的加工誤差都來源于裝夾工藝。此外，在薄壁零件加工過程中，?A緊力與切削力間力的波動效應(yīng)會產(chǎn)生耦合作用，從而導(dǎo)致加工殘余應(yīng)力和零件內(nèi)部初始?xì)堄鄳?yīng)力重新分布，這也會對零件的加工質(zhì)量帶來影響。所以，現(xiàn)在薄壁零件的裝夾問題依然不容忽視，提升薄壁零件裝夾工藝對于防止加工過程中的零件變形具有十分重大的意義。
2.2切削力和切削熱對零件變形的影響
薄壁零件的加工工藝參數(shù)直接反映了薄壁零件與加工道具之間的關(guān)系，在薄壁零件的加工過程中，由于鈦合金薄壁零件的彈性模量較低，已經(jīng)加工完成的零件表面會產(chǎn)生較大的回彈，這樣會直接導(dǎo)致已加工表面與刀具的后刀面接觸面積增大，會對薄壁零件的加工質(zhì)量的造成非常大的影響，使得零件的加工精度急劇下降，同時，也會降低刀具耐用度。另一方面，如果切削力過大，超過了材料的彈性極限，就會導(dǎo)致零件產(chǎn)生塑性變形。而且，切削熱的存在也是影響零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵之一，切削熱是由切屑與前刀面、工件已加工表面與后刀面之間的摩擦產(chǎn)生，大量的切削熱會導(dǎo)致工件各部位的溫度不均勻，也會加劇零件的變形，從而導(dǎo)致零件加工精度下降，同時，零件的表面質(zhì)量也不能得到很好的保證。
2.3殘余應(yīng)力對變形的影響
薄壁零件中的殘余應(yīng)力主要有兩個組成部分。一部分是在薄壁零件的初始成形過程中產(chǎn)生的初始?xì)堄鄳?yīng)力，這部分殘余應(yīng)力的產(chǎn)生有多種原因，其中，對于大面積的拼接合成薄壁類零件，在加工過程中受到殘余應(yīng)力的影響更加明顯。第二部分是已加工表面的殘余應(yīng)力，這部分殘余應(yīng)力主要是刀具對工件表層金屬的機(jī)械作用、熱作用以及里層金屬的彈性恢復(fù)等各種因素綜合影響的結(jié)果。在薄壁零件的加工過程中，極有可能打破零件毛坯中殘余應(yīng)力的平衡，而這時候，零件內(nèi)部的應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，從而引起零件的變形。
3、鈦合金高精度薄壁零件加工工藝與優(yōu)化
3.1從工件的結(jié)構(gòu)上考慮
在對工件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時候，不僅僅要考慮工件的使用性能，還應(yīng)該考慮這種結(jié)構(gòu)對于加工過程的適應(yīng)性，不同的工件結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的加工方法是不同的，為了保證薄壁零件加工的精度，對工件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。一般來講，由鈦合金板材加工而成的薄壁零件的應(yīng)用都有較高的精度要求以及使用要求，零件的變形不僅僅會導(dǎo)致安裝等過程中出現(xiàn)困難，并且有可能不能完成設(shè)計(jì)時零件所需要完成的工作。所以，為了避免出現(xiàn)工件在加工過程中出現(xiàn)變形的情況，第一，可以考慮將工件設(shè)計(jì)成對稱的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得工件在加工過程中各部分內(nèi)力的釋放是同步的，避免出現(xiàn)內(nèi)力分布不均等情況。第二，在薄板的設(shè)計(jì)上，盡可能保證整個薄板的厚度一致，并且在工件的一些轉(zhuǎn)角處，因?yàn)榧庸せ蛘邿崽幚恚赡艹霈F(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可以通過將轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)位圓弧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過渡，從而減小工件的變形。
3.2從工件的裝夾方面考慮
薄壁零件自身厚度較薄，僅僅具有較低的剛度，也就是說，工件抵抗彈性變形的能力較弱，所以，在工件的加工過程中，裝夾在很大程度上也會影響到工件的變形。裝夾主要是起到固定工件的作用，利用裝夾對工件進(jìn)行定位以及保證工件在加工中的穩(wěn)定性，如圖3所示。不合理的裝夾位置以及夾緊力都會造成加工精度下降，所以，在選取裝夾位置時，盡量保證各個裝夾位置成對稱關(guān)系，而夾緊力的選取可根據(jù)工件的剛度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)工件的剛度較高時，可以選擇較大的夾緊力，但是特別注意的是，但工件的剛度較低時，一定要選擇適當(dāng)?shù)膴A緊力，不然很容易造成工件在加工過程中變形。
3.3從熱處理方面考慮
工件一般的熱處理是通過淬火以及人工時效處理完成的，而對工件進(jìn)行熱處理的時機(jī)對于減少工件變形來說是十分重要的。因?yàn)樵趯ぜM(jìn)行熱處理的時候，工件因?yàn)樽陨淼臏囟鹊母淖儯诠ぜ?nèi)部就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力以及相變應(yīng)力，這也就是導(dǎo)致工件變形的主要原因。同時，熱處理還不能破壞工件的機(jī)械性能，所以，一般可以考慮將熱處理的時機(jī)安排在胚料粗加工前。總之，盡可能讓熱處理的時機(jī)合理化，這樣才能既保證工件的機(jī)械性能，又能減少工件熱處理導(dǎo)致的變形。
3.4從工藝方法和切削液考慮
在工件加工的工藝安排上，首先要根據(jù)不同種類的工件其組成結(jié)構(gòu)的不同，進(jìn)行工序的安排，其中，應(yīng)特別注意的是，對該工件在加工中容易變形的部位進(jìn)行分析，考慮是否能夠通過一些工序的調(diào)整減少工件的變形量。其次，在進(jìn)行工件的粗加工時，一開始需要預(yù)留下較大的切余量，并做好基準(zhǔn)面定位的工作，隨著工件加工的進(jìn)行，需要時刻注意對基準(zhǔn)面進(jìn)行修正，因?yàn)榧庸み^程中余量的減少必定會帶來基準(zhǔn)面的改變。切削液的選擇則主要依據(jù)加工的性質(zhì)以及加工刀具進(jìn)行選擇，根據(jù)不同的工藝安排以及刀具的使用情況進(jìn)行切削液的合理使用，有助于提升工件加工的效率。
3.5薄壁件殘余應(yīng)力的消除
薄壁零件的初始?xì)堄鄳?yīng)力一般是由毛坯材料的受熱因素決定的，而加工殘余應(yīng)力一般是在進(jìn)行薄壁零件的加工之后才能被反映出來，所以對殘余應(yīng)力的研究是值得注重的，如何預(yù)測殘余應(yīng)力的影響以及如何消除殘余應(yīng)力對零件加工質(zhì)量的影響。
雖然薄壁零件中殘余應(yīng)力的來源已經(jīng)知道，但是其對薄壁零件加工中的變形影響卻不能準(zhǔn)確確定，因?yàn)楸”诩臍堄鄳?yīng)力導(dǎo)致薄壁零件變形一般是由受熱因素和機(jī)械力因素共同作用的結(jié)果。目前，對殘余應(yīng)力的控制，一般是利用當(dāng)前比較流行的有限元分析方法，建立薄壁零件的有限元模型，并利用數(shù)值分析的方法對殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行預(yù)測。此外，這個方法不僅可以模擬薄壁件變形矯正后的結(jié)果，還可以預(yù)測回彈。
目前，消除工件毛坯殘余應(yīng)力的方法包括預(yù)拉伸、振動時效、時效退火和深冷處理。在這幾種方法中，又屬深冷處理應(yīng)用最為成功。深冷處理可以有效地降低薄壁零件中的殘余應(yīng)力，同時，該處理還能提高零件的硬度以及強(qiáng)度、提高工件的耐磨性，提高了零件的使用壽命。此外，深冷處理還能保證零件的尺寸精度、改善零件內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力分布。而要減少加工殘余應(yīng)力對零件加工變形的影響，還是要從減少切削熱的方面出發(fā)。
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