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如何解决薄壁件加工过程中的变形问题?

发布时间:2020/08/18

薄壁件具有重量轻、结构紧凑等特点,被广泛运用于航空航天、汽车行业。但由于其刚性差、强度弱,结构受力形式复杂,难以按照经典理论进行受力分析,制造过程中极易发生变形、失稳和振动等问题,制造难度极大,是国际上公认的复杂制造工艺问题。

 

西方国家非常重视对薄壁件制造的研究,并取得了不错的成绩,在航空、军工、汽车与机械等行业体现出了很高的水平。为此,美英等国家对外进行技术封锁,也从侧面应证了薄壁件制造的高难度和高技术性。

 

影响薄壁件变形的因素

 

影响零件变形的因素是多方面的,包括设备刚度与精度、毛坯余量、装夹与支撑方式、切削参数与走刀路径、零件内部残余应力等。其中对加工变形影响最主要的因素有材料内部的残余应力、加工过程的切削力、工装夹具的装夹力。

 

据统计,至少有20%的加工误差是由装夹及定位造成的。除此之外,影响加工变形的最主要因素是毛坯残余应力和切削过程中的残余应力,约占变形的70%~80%。由于薄壁结构件在加工过程中材料去除量高,甚至能达到90%。

 

因此本文着重要讨论的,就是如何应对残余应力引起的加工过程中薄壁件变形。

 

残余应力在薄壁件制造过程中的产生

残余应力是指在没有任何工作载荷作用的情况下,存在于构件内部且在整个构件内保持平衡的应力。在生产、处理和加工材料的过程中,由于材料的局部区域产生了不均匀的变形或相变,必然导致工件内部残余应力的产生。

 

加工前,工件内的残余应力处于自平衡状态。随着整体结构件加工过程的进行,毛坯材料被逐渐切除,工件的刚度也随之不断减小,加上切削力和切削热的作用,使得整体结构件内产生新的残余应力。原始的自平衡条件被破坏,工件只有通过变形达到新的平衡状态。

 

此外,加工路径的不同也会影响到整体结构件内原有残余应力的释放顺序,造成整体结构件的不同刚度特点发生变化,导致零件发生不同程度的变形。而在加工完毕后,零件的变形过程仍未结束,影响工件精度的稳定性,使已加工好的零件产生圆度误差。

 

如何降低残余应力对工件的影响?

 

零件在加工过程中需进行消除应力处理,以减小加工变形。有些薄壁件在以往的加工中,通常采用多工序间多次进行热时效消除应力的方式。由于多次热时效后材料性能将发生改变,影响零件使用。而零件进行热时效次数少,则应力去除效果不理想,不能彻底消除零件的残余应力或使应力分布匀化,无法满足加工精度要求。

 

如图1天线腔体零件,设计人员为进一步减轻质量,将腔体壁厚降低至1.7mm,且整体为一个弧形,这样的设计给加工带来了几大难点:

  • (1)弧面加工孔,装夹难度高,再加工薄壁零件在夹紧力的作用下易发生变形,从而影响工件的尺寸精度和形状精度;
  • (2)天线罩和腔体加工所产生的应力大小和部位均不同,导致变形方式的严重程度不一样,二者加工完成后孔与孔之间的配合有较大的偏差,影响装配精度。;
  • (3)薄壁件悬臂长度达到了约110mm,位于长度方向的两尖端处,加工时受到刀具轴向铣削力不均,易产生切削振动,导致工件发生变形,且表面质量很难保证;
  • (4)腔体壁薄导致刚度降低,加工时切削热会引起工件变形,从而使工件尺寸难以控制,影响零件精度。

 

对于类似的加工制造过程中的变形,我们拟制了3组工艺路线进行对比试验,采用热时效进行应力去除,通过结果分析择优选择。3组工艺路线如下:

经实践操作,结果见下表:

 

结合初定的3条工艺路线试制结果分析发现,产品报废的主要原因在于应力二次释放产生的变形,即使采用了一些去应力措施零件变形依然很大,不仅影响了零件的尺寸精度,还对后续的一系列加工造成了困扰,因此零件制造的关键点就在于应力的去除。

 

常规的应力去除,如自然实效不能满足产品的需求,因为其占地广、周期长,且去应力效果有限。

 

为了逐步释放应力,加工工艺仍采用粗铣、半精铣和精铣的递进加工方式,在工艺路线中增加振动去应力的工艺手段,以达到消除内应力的作用。

由于薄壁件的特殊性,我们选用了模态宽频震动时效进行应力的消除。首先采用有限元分析软件,计算出工件在不同装夹状态下的0~1000Hz范围的所有模态频率、模态振型,从而优选出最优激振频率、振型和对应的装夹方式。

 

装夹好之后,根据在线模态分析结果,选出最优频率,用模态宽频时效中心对工件进行时效处理。下图为时效后结果:

通过震动时效后数据结果图对比,可明显看出残余应力数值的下降,且更均化。

 

注:案例及数据来源于四川九洲电器集团。

 

总结

 

通过在加工过程后引入振动时效去应力,可进一步消除因切削产生的残余应力,使零件后期变形问题得到了很好的改善,提高了零件的合格率。同时,振动时效可有效解决在加工过程中反复热时效、半精加后自然时效周期长等问题,更加节约成本,可广泛推广。