薄壁零件切削变形的研究现状综述

图 ３ 工件加工精度 的影 响因素
的因素中是一个主要 因
素。
对于航空航 天工业 中普遍使 用的薄壁零 件而言 ，
刀”现象，特别是对于薄壁部分 ， “ 让刀”对加工精 度的影响不容忽视 。另外 ，被切削的材料在刀具 的作 用下 ，发生弹性和塑性变形而消耗功，切屑与前刀面、 工件与后刀面之间的摩擦 也要 消耗 功，导致产生大量 切削热 ，造成工件各部位 的温度不均 ，使其发生热变 形 。切削加工铝合金在工件表层 留下的残余应力层的 深度一般在 ０ １ ｌ 以内，当工件厚度较大时，其刚性 ． Ｔ ｍｌ 也大 ，切削加工 产生 的残余 应力 几乎不会使 其变形 ， 然而对于航空整体件来说 ，其厚度多在 ２ｍｎ以内，此 ｌ 时残余应力对变形 的影 响不可忽略。 （ ）工件的装夹 ４ 在装夹力的作用下工件发生变形 ，在 内部形成装 夹应力场并产生相应的位移。当刀具进行切削加工时 ， 会出现 “ 过切”或 “ 欠切”现象 ，从而造成工件表 面 几何误差变形 。对 于刚性较差 的薄壁结构件 ，装夹是 引起加工变形的一个重要因素 。 除了上述原因外，机床 、工装 的刚度 ，刀具 的磨
有通过变形才 能达到新 的平衡状 态。已有研 究表 明： 毛坯初始残余应力 的释放 和重分布是引起航空整体结 构件加工变形 的重要原因之一 。 （ ）切削过程 中刀具与工件间的热 一 ３ 力耦合作用 刀具对工件 的作用 主要表现在切削力 、切 削热 和 加工表层 留下 的切 削残余应 力。在切 削力 的作用下 ， 方面工件与刀具 的接触部分发生弹塑性变形 ，材料 不断被刀具 切除；另一方面工件产生 回弹 ，发生 “ 让
（ ）加工过程中毛坯初始残余应力 的释放 与重分 ２
布
航空整体结构件通 常采用高强度变形铝合金厚板
直接铣削加工而成。为获得理想 的机械性能 ，铝合金
预拉伸板必须经过轧制 、固溶、拉伸 、时效 等一系列 工艺流程 ，在这些 过程 中因存在不均匀 的温度 场和不
第 ９期
马海龙 等 ：薄壁零件切削变形的研究 现状综述
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行双主轴加工方案 。Ｊ ｌ ｔ ｕ ｙ等人提出了充分利用零 Ｔｓ
件整体刚性的切削加工方 案，有效控制 了零件 的加工 变形 ，同时提高了生产率 。ＪＴｕｔ ｌｓ ｙ等人在研究 动态
一
２ 薄壁零件铣 削变 形的影响因素 数控 程序 和控 制 影 响 薄 壁 零 件 加
工精度的因素 ，如 图 ３ 所示 。由于零件的壁 匾 厚较薄，刚度较差 ，在
定的切削力作用下薄 壁 件 的 变 形 较 大。 因 此 ，工件的变形在所列
一
圈
ｌ 他因 素 Ｉ 其
工
传统的基于零件理想几何形状规划刀具轨迹 、选 取工
艺参数的方法 ，难 以保证数控加工 的精度和效率 。薄
壁零件在铣削过程 中，受周 期性 变化 的铣 削力 影响 ， 工件的变形必然导致实 际加工表面与理论值之间存在 较大偏差 ，这在很大程度上限制了从 Ｃ Ｍ 系统输出的 Ａ 刀具轨迹代码 的有效性。往往不得不通过选用 比较保 守 的切削用量和多次重复精加工来保证零件的加工精
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机床与液压
第３ ８卷
性差 ，切削过程 中受 到切削力 的作用 容易 产生变 形。
同时工件内的残余应力对工件 的强度 、疲 劳寿命 、抗 应力腐蚀性能和结构尺寸稳定性都有很大 的影 响，以 致对工件 的最终变形有很大的影响。
均匀的弹塑性变形 ，板 内产生了残余应力。在加工过 程中，随着材料 的不 断去 wenku.baidu.com，板 内残余应力发生释放 与重分布，原来 的应力 白平衡状 态遭 到破坏 ，工件只
（ ）工件的材料力学特性与结构特点 １ 航空铝合金的弹性模量为 ７ ７ Ｐ ，约为钢的 ０～ ３Ｍ ａ １３ ／ 。由于其 弹性模量小 ，屈强比大 ，在切削过程中极
易产生 回弹，特别是大型薄壁结构件 ，“ 让刀”和 回弹 现象更为严 重。另外 ，航 空整体 结构件形状复杂 ，几
何结构不对称 ，薄壁部位多 ，自身刚度 差等 ，也是零 件产生较大变形的内在因素 。
度 ，或采用通过试错法反复修正数控加工程序 以补偿 加工变形误差 的方法 ，十分耗 时且代 价昂贵 ，需要多
次反复试切 、测量 、改进 。
３ 薄壁零件加工变形的成 因分析 薄壁零件加工变形 问题 ，涉及力学 、材料成形加
工、切削加工 和机械制造等多个学科领域 ，是 航空产
品加工工艺中的瓶 颈之一 。航空整体结 构件加 工变形 产生的原因很多 ，与 毛坯 的材料、工件 的几何 形状及 刚度 、以及加工工艺方法和加工设备等均有关 系。经 研究分析 ，引起整体结 构件加工 变形 的主要 因素有 以
下 几个 方 面 ：
损 ，加工环境 的温度 ，工件的冷却散热情况等对整体 结构件的加工变形也有一定的影响。
４ 薄壁零件切 削加 工变形的研究现状 在制造技术水平较高的 国家 ，如美 国、 日本和西
欧一些国家 ，铝合金薄壁件的加工技术已积累一定的 经验。高速／ 超高速切削技术已经逐步应用于航空航天 制造领域。不仅在机床 、夹具 、刀具 及工件材料等方 面具有一定的先进性 ；而且 在薄壁件 的数控 加工技 术 研究方面也有较深的理论研究和实践积累。 美国三波公 司依托密西根大学等若 干所著名大学 ， 共同研究和开发能够有效抑制整体结构件数控加工 变 形的工艺路线优化理论 和有 限元模拟 软件 。法国巴 黎航空工业学院与国家宇航局针对航 天飞行 器整体结 构件设计与制造 问题 ，联合建立了专门的强度实验室 ， 深入研究 加工变 形 的工 艺控制 和安全校正 等 问题 。 但由于涉及 国防关键技术 ，很难见到较完整 的资料报 告 ，仅有一些关于子技术的报道。 对于具体的薄壁零件的加工 ，为 了解决单一主轴 加工零件 的变形 问题 ，日本的岩部洋育等人提 出了平