薄壁零件加工弱刚性零件加工技术

薄壁零件和弱刚性零件加工技术机械刚性，是材料抵抗变形的能力。外力一定时，变形越小则其刚性越大；变形一定时，所加外力越小则其刚性越小。物理学：刚性是指两个物体相碰撞不会发生变形，因此两个刚体就不会占据同一个空间，如微粒、原子就是这样的物质。简单理解就是不易变化的物体。刚性与刚度都是表征材料变形特性的,一般说来,任何物体都会具有一定的刚度（如抗拉压刚度、抗弯刚度、抗扭刚度等）,受力后都会存在一定的变形,而刚度越大,则变形就越小；当物体刚度为无穷大时,我们就称之为刚性的,当然这是一种理想状态或假定条件。一）刚性定义一、弱刚性零件加工技术随着精度要求高且结构复杂的弱刚度件在航空航天以汽车领域中的应用越来越多，就目前的传统加工技术而言还存在很大的困难。对于弱刚度复杂构件加工困难的主要原因是这类构件整体刚性较差，再加上结构复杂，加工过程中在切削力、切削热以及夹具的夹紧力的作用下易发生变形，严重影响加工质量和精度。因此要提高弱刚性零件的加工质量和精度，最主要的方法是减小工件因刚性不足引起的加工变形。今天我们探讨的刚性，严格说是“结构”或零件的刚性，而不是材料的刚性。材料只有强度、硬度、延伸率等指标。特定受力条件下的结构的刚性，主要是与结构特点的稳定性（或形状）、结构尺寸、材质、材料硬度等都有密切关系。与零件加工工艺的关系小一些。因此,刚性是反映物体形变难以程度的一个属性.二）弱刚刚性零件的特征现数控加工零部件主要分为整体弱刚性结构件和精密复杂薄壁结构件两大类型，这些结构件的数控加工生产具有一些典型特点：多属于定制生产，零件品种多，单件试制与批量生产并存；材料多样，包含镁合金、铝合金、铜合金等有色金属材料，结构钢、不锈钢等传统黑色金属，还包括高强度钢/超高强度钢、钛合金、高温合金等多类难加工材料，石墨、树脂、玻璃钢和碳纤维等多类非金属材料与复合材料；该类结构复杂，非完整圆弧、凸台、口框、阶梯孔、细长深孔等多类结构，且存在交叉干涉结构；加工尺寸范围大，且多呈薄壁弱刚性特征，加工易变形但加工精度要求又较高；此类零件需求数量的快速增长，提出了高效率、高质量的加工需求与加工质量的需求。1、整体弱刚性结构件特征分析整体弱刚性结构件包括环状类结构件、框架类结构件、球形类结构件等多种规格。数控加工需实现大面积的材料去除，有的材料去除率高达70%以上，加工过程中对加工尺寸精度、变形控制、形位精度均有较高要求。2、精密复杂薄壁结构件特征分析精密复杂薄壁结构件种类较多，其结构可划分为薄壁回转体类、薄型多面体类、带筋复杂曲面类、细长轴类和复杂孔系类等。2.1薄壁回转体类零件该类零件在航天和汽车领域中广为应用，典型零件包括薄壁套、壳体、端框等，种类高达四十余种。薄壁回转体类零件采用薄壁结构以减轻重量，零件内腔包含柱面体、锥面体、月牙形斜孔、扇形口框等多种结构，外壁周向分布多个孔系、键槽等，结构复杂。此类结构件包含焊接结构、铸造结构、冲压结构件、锻造结构毛坯，均需通过五轴铣削和精密车削加工工艺完成数控加工，零件刚性极差。2.2薄型多面体类零件该类零件为多面体交叉结构，航空代表性零件包括翼面、舵面、罩板等，汽车代表零件有支架、箱体等，这类结构件以多斜面为主，结构复杂，局部薄壁，零件材料去除率达70%以上。薄型多面体类零件有较高的空气动力学要求，因此结构设计复杂，表面加工质量要求较高。2.3带筋复杂曲面类零件该类零件基体为整体框架结构，基体侧缘为复杂型面组成的结构。零件材料去除率高，可装卡定位面少，部分零件基体中包含多组高精度台阶孔，长径比可达70以上，这极大地增加了零件加工工艺的复杂程度。2.4细长轴类零件该类零件材料包含调质钢、马氏体时效钢、钛合金、合金结构钢、不锈钢等多类材料，部分马氏体钢材料的硬度HRC＞50，具有高强度、耐腐蚀、衰减性能好等特点。细长轴类零件最大长径比达到70以上，加工表面不允许出现波纹、竹节等瑕疵。2.5复杂孔系类零件复杂孔系类零件包含深孔类零件和多孔交叉类零件，零件内部存在多孔结构，孔的类型包括深孔、平底孔、细长孔、交叉孔，孔径范围大，还存在多孔径的台阶孔。零件毛坯多为铝合金、合金钢锻件，加工过程中对孔道交叉处毛刺、孔的圆度和直线度要求严格。3、弱刚性零件的主要加工难点弱刚性零件的主要加工难点是加工变形大，精度难以保证，有的零件因刚性太差，甚至不能采用常规机械加工方法加工。弱刚性零件在外力的作用下，产生弹性变形和塑性变形。在夹紧力和切削力作用下，工件变形量大于尺寸公差，当加工结束外力消失后，变形恢复，工件即超差，这样说明工件刚性弱。弱刚性零件加工变形产生的原因3.1工件结构特性对加工变形的影响在相同的外载作用下，弱刚性零件要比相同刚性好的零件变形大，此外自身结构刚性差也是工件产生较大变形的内在因素。3.2毛坯初始残余应力的影响在毛坯制造过程中，因外力或不均匀温度场的作用引起材料不均匀的弹塑性变形，在毛坯中产生了残余应力。在加工前，工件内的残余应力处于自平衡状态，切削加工过程是被加工材料被逐渐切除的过程，随着切削加工过程的进行，切削层中的残余应力被逐渐释放，工件自身的刚度也发生变化，原始的自平衡条件被破坏，因此工件只有通过变形达到新的平衡状态。3.3切削力和切削热的影响弱刚性零件在切削加工时，因工件刚性差在切削力的作用下，一方面会引起工件的回弹变形，另一方面，切削力较大时，超过材料的弹性极限，引起工件的挤压变形。因此切削力成为影响薄壁件加工变形的重要因素。整体结构件切削过程中，由于切屑变形和刀具前刀面与切腐，以及后刀面与已加工表面之间的摩擦，使已加工表面层产生很高的温度，而零件里层温度却很低，形成不均匀温度分布，导致表层体积膨胀的趋势受到里层金属的阻碍，这种阻碍使零件表层产生热应力，热和力的作用影响了毛坯中的应力分布，加剧了零件的变形。3.4装夹因素的影响机床夹具是机械加工系统中起定位和约束工件作用的子系统。对于刚性较差的工件，夹紧力是引起零件变形不可忽视的一个因素。在加工中，夹紧力还与切削力之间的波动效应产生耦合作用，引起加工残余应力和工件内部残余应力的重新分布，影响工件变形。3.5加工路径的影响加工路径不同将导致工件内原有残余应力释放顺序的不同进而造成不同的变形情况。随着加工过程的进行，毛坯材料被逐渐切除，工件的刚度逐渐减小，同时由于切削力和切削热作用，产生新的残余应力。路径不同，新的残余应力与毛坯中原有残余应力的耦合顺序和耦合效果不同，这些复杂因素共同作用的结果，将引起工件不同的变形。4、弱刚性零件特殊工艺方法弱刚性零件因其特殊性，制造难度很大，除遵守一般的工艺原则外，还应尽可能采用以下方法。4.1强度刚度设计并重对一般设计而言，强度设计是第一位的，刚度第二位。对精密弱刚度件来说，强度固然重要，但没有一定的刚度，设计意图将难以实现。对弱刚性零件来说甚至应该把刚度作为主要设计要求。因此在设计过程中应把提高刚度作为重要要求予以考虑，这样将可以避免许多刚度太弱而带来的工艺问题。具体设计时若有可能可采取以下措施：4.1.1杆类工件在不增加质量情况下，采用等截面的空心管代替实心轴，可以提高惯性矩增加刚度。4.1.2对盘类可想办法增加端面凸缘。4.1.3对短筒类可在一端增法兰边，长筒类在两端增加法兰边更显得十分必要，尽可能避免等截面的设计。半球类赤道处增加法兰边将十分有益。4.1.4尽可能避免采用焊接连接方法。如果结构不能改变，应在工艺设计时予以考虑。4.2避免最弱刚性方向装夹施力在工艺和装夹方案设计时，要充分应用本原则。弱刚性方向上的受力应严加限制，哪怕是采取配车卡爪，或开口环过渡装卡等措施。具体来说：4.2.1杆类细长轴工件的尾座顶住加工方法，为避免顶紧力与切削力的共同作用造成工件弯曲，可改成尾座拉住工件加工，可以很好地改善工件的受力条件，加工质量明显提高。4.2.2筒类和半球类工件应避免径向受力的装夹方案，而改以轴向拉、压的方法进行装夹。4.2.3长筒类不仅要避免径向装夹力，还要避免轴向拉压力，以免造成拉长或弯曲压缩变形。4.2.4盘类工件若不能增加凸缘提高刚度的话，多支点方式予以改善，即将吸具定位面设计成从中心到边缘的平面螺旋面（或以间断环形面代替）。4.3非变形状态加工弱刚性零件在加工前一定要防止工件变形，也就是说工件在自由状态时与在待加工状态时的形态、形位精度应基本一致。如果有附加变形，那么这个变形在加工结束后几乎可以等效显现出来。寄希望于反复加工的办法来消除这个误差，效果是十分有限的。造成这种附加变形主要有三方面原因：4.3.1基准精度不高。如用平磨磨削薄钢片时，若磨前工件平面度较差，电磁吸住后工件就变形，磨削完去掉吸力后，已磨削面的平面度与基准面的平面度几乎一致。因此获得高精度的加工基准是至关重要的。4.3.2装夹不当。即使在采取了“避免最弱刚度方向装夹施力”后的装夹过程中，仍然存在装夹不当的情况。这种情况呈现的形式是多种多样的，难以尽述。但由此而引起的变形可以通过检查排除。4.3.3工件刚度十分弱，以致于不能受最合理的力。在这种情况下就要考虑采取粘接加固等特种装夹方法，以保持工件处于非变形状态。4.4精加工先弱后强弱刚度件在其加工过程中，不同的加工部位其刚度强弱不一。半球壳类工件一般应先加工刚度弱的部位，后加工刚度强的部位。例半球壳类工件在刚度强时，一般遵循先外后内的精加工顺序。这样安排工序，可使外型面依靠端面或孔基准获得较高的形位精度，然后再以外型面定位获得形位精度高的内型面。在刚度很弱时，这样的加工顺序，不仅不能使内型面精度高，常常是内型面难以保证加工精度（甚至不能加工），同时外型面精度也遭到破坏。这主要是因为工件的刚度不能承受这种装夹和切削力作用，工件在切削加工前已经受力变形，没有满足“非变形状态加工”的方法。5、弱刚性零件的装夹加工时，刚性差会导致很多零件加工中出现加工变形、精度不能保证的现象，而导致刚性差的主要原因一是零件壁厚不足、长径比或宽厚比过大所致。二是装夹方法不当，导致零件在装夹时，零件刚性不足或已变形。因此，弱刚性零件的装夹是保证加工质量的关键技术。5.1加固装夹：为解决弱刚性零件的装夹问题，国内外进行了大量的研究和有益的探索。取得了一些的解决办法，其方式有以下几种。5.1.1夹紧力分散装夹：如真空负压式夹具、电磁式夹具、液压涨紧夹具等。5.1.2改善定位方式：通过改善定位，使零件既能夹的住而又不引起变形，如增加工艺夹头，增大装夹面积，采用辅助定位，缓冲定位，改变加紧力方向。5.1.3提高零件刚性方式：通过提高弱刚性零件、强度，使其能承受常规方式中加紧力的作用。如涨套芯轴、内村式夹具、粘接式装夹、真空装夹等。为实现弱刚性零件的少变形或不变形，主要是提高零件的刚性，称之为加固。通过加固技术，可有效弥补弱刚性零件刚性差的不足。弱刚性零件的结构不同，加固装夹的方式是多种多样，要根据弱刚性零件的结构，采用加固装夹。5.2加固装夹技术通过加固装夹来提高弱刚性零件的刚度，实现弱刚性零件少变形或不变形装夹是可行的，关键是设计适当加固的形式，加固的材料，加固的工艺，达到即提高零件刚性，又不致引起零件的附加变形；即方便加固，又便于分离；即可靠又便于生产和精度控制。5.2.1加固装夹主要方法有机械式：利用机械结构来加固零件，如配合良好的轴（孔）、成型面、涨式夹具等。填充式：利用加固材料填充加固零件，如薄壳件的加固装夹方法。粘接式：利用胶粘材料把零件胶粘在刚性较好的机械结构上，达到无装夹力装夹，同时提高了零件的刚度。其它形式：如真空装夹，实现弱刚性零件少变形或不变形装夹的加固方法还很多，要在实践中进一步发展。5.2.2加固装夹方法的要领有创造性设计结构较优的加固方案，以提高零件刚性，保证零件精度为主要目的。保证零件在加固装夹时处于非变形状态。加固和卸除加固过程中要避免机械力的作用，防止附加变形和机械损伤零件。5.2.3复合加固装夹技术利用两种或两种以上的加固装夹手段来提高弱刚性零件的刚度，实现弱刚性零件的少变形或不变形装夹的加固装夹称之为复合加固装夹。例如，为解决薄壳零件加固材料松动，先在薄壳零件的表面涂胶粘材料，然