01
序言
鋁合金薄板類(lèi)零件是機(jī)箱類(lèi)工件的常見(jiàn)零件，其加工變形的控制、厚度一致性的保證一直是加工的難點(diǎn)，尤其是T4狀態(tài)、T6狀態(tài)等硬度高、易變形，傳統(tǒng)加工方法加工周期長(zhǎng)，極難保證工件厚度的一致性和表面質(zhì)量。本文總結(jié)了薄板、多臺(tái)階異形薄板類(lèi)工件的變形原因和加工經(jīng)驗(yàn)，探討真空吸盤(pán)的加工技巧。
02
加工技巧
圖1為某蓋板類(lèi)工件簡(jiǎn)化模型，為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)類(lèi)工件，旋轉(zhuǎn)角度為120°，其中一面有1mm凸臺(tái)，另一面有2mm凹槽，工件厚度為2.5mm。結(jié)合工件外形尺寸，判定工件為薄板類(lèi)工件。工件材料為T(mén)4狀態(tài)硬鋁合金，極易變形，加工時(shí)也容易造成厚度尺寸不均勻。
a）正面
b）反面
圖1 某蓋板類(lèi)工件簡(jiǎn)化模型
03
工件變形分析
傳統(tǒng)加工方法用AB膠粘結(jié)固定的微應(yīng)力裝夾方法，或采用倒壓板分區(qū)域局部加工的方法。其中膠粘法存在工件因變形造成中間鼓起變薄的情況，且由于鼓起的中間部位無(wú)支撐力，因此會(huì)造成加工顫動(dòng)，影響表面質(zhì)量，不適合薄板類(lèi)加工。倒壓板的方法雖受變形的影響較小，但是也存在接刀不好控制、工件變形嚴(yán)重的缺點(diǎn)，且受壓板長(zhǎng)度限制，不適宜加工大型薄板。因此兩種方法都存在加工變形不易控制的缺點(diǎn)。要想盡量限制變形對(duì)加工的影響，首先要清楚工件變形的原因。
零件的變形按形態(tài)分為彎曲變形（見(jiàn)圖2）、扭曲變形（見(jiàn)圖3）以及彎曲與扭曲混合變形。在實(shí)際加工中工件變形無(wú)法消除，但可以通過(guò)變形原因分析，有針對(duì)性地控制變形，使其在可接受的范圍內(nèi)，從而保證工件的尺寸精度。
圖2 彎曲變形
圖3 扭曲變形
通過(guò)查找資料[1]和加工實(shí)踐，總結(jié)出造成零件變形的原因主要有以下幾個(gè)方面。
1）毛坯材料已有的變形造成的誤差復(fù)映。要控制此類(lèi)變形的影響，需要在加工前對(duì)毛坯材料進(jìn)行修整，可以采用膠粘法的微應(yīng)力裝夾方式，通過(guò)翻轉(zhuǎn)反復(fù)加工修平工件表面，消除誤差復(fù)映的影響。
2）材料因切削破壞內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡而造成變形。這種變形是由于材料內(nèi)部存在非均勻分布的內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)，在加工前毛坯處于應(yīng)力平衡的狀態(tài)，加工后由于材料切除，局部?jī)?nèi)應(yīng)力點(diǎn)消失，平衡被打破，因此工件必然會(huì)變形，直到工件內(nèi)應(yīng)力重新達(dá)到平衡點(diǎn)。此類(lèi)變形對(duì)小型或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的工件影響不大，但卻是大型航空航天結(jié)構(gòu)工件變形的主要原因。此類(lèi)變形極難控制，對(duì)于小型工件，可以通過(guò)安排粗加工提前釋放工件變形來(lái)進(jìn)行控制。對(duì)于大型工件，由于變形嚴(yán)重，粗加工后若留量較小，工件會(huì)因變形超差；若留量太大，又無(wú)法有效釋放變形，因此如果條件允許的話(huà)，大型易變形工件可以采用鑄造加工。必須進(jìn)行切除加工時(shí)，需要針對(duì)毛坯的制造方法建立大型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)收集、分析確定此類(lèi)毛坯的大致應(yīng)力分布方式，有針對(duì)性地安排加工工藝，此方法需大型有條件的企業(yè)有組織地去積累完善，不適合小型企業(yè)。
3）已切削表面切削殘余應(yīng)力造成的變形。刀具切削過(guò)的表面，由于經(jīng)過(guò)擠壓和熱變形，因此會(huì)在已加工表面形成應(yīng)力層[2]。此應(yīng)力層的深度受切削環(huán)境（刀具材料、刀具的鋒利程度、加工冷卻是否充分及工件材料等）的影響會(huì)有變化。對(duì)于鋁合金材料，精加工時(shí)切削應(yīng)力層的深度一般在0.1mm左右。此類(lèi)變形對(duì)于薄板類(lèi)工件的影響較大，是本文主要討論的類(lèi)型。
04
加工工藝分析
在不考慮材料因切削破壞內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡而造成變形的原因時(shí)，影響工件變形的主要因素是加工中的切削熱、背吃刀量、刀具鋒利程度及切削方向。
加工中的切削熱、背吃刀量和刀具鋒利程度會(huì)影響工件切削應(yīng)力層的深度，進(jìn)而影響變形程度。散熱越不好，背吃刀量越大，刀具越鈍，工件變形越嚴(yán)重[2]。在散熱良好的情況下，切削速度對(duì)變形的影響很小，可以忽略不計(jì)。
切削方向?qū)ぜ冃晤?lèi)型有很大影響。以形狀規(guī)則的長(zhǎng)寬尺寸為200mm×200mm、厚度為4mm的正方形薄板為例，當(dāng)?shù)堵窞槠叫械堵窌r(shí)，工件更易形成拱門(mén)形的彎曲變形，且變形方向?yàn)檠刂庸さ堵贩较驈澢?，往往向著剛加工過(guò)的表面鼓起。通過(guò)控制切削走刀方向，并采用單軸往復(fù)加工，可以將變形控制為單向拱形彎曲變形。這時(shí)通過(guò)少切削往復(fù)翻面銑削，再適當(dāng)控制背吃刀量，可以有效控制變形。精加工時(shí)，每次切削厚度在0.05mm左右，刀具直徑＜8mm時(shí)，切削應(yīng)力小，散熱效果好，對(duì)工件變形影響最小。工件厚度對(duì)變形也有一定影響，對(duì)于T4狀態(tài)薄板，當(dāng)厚度＜8mm時(shí)，切削刀路對(duì)變形的影響開(kāi)始變大。刀具直徑也會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生較大影響，由于直徑越大，薄板類(lèi)工件的變形越大，同時(shí)也越復(fù)雜，因此在保證加工效率的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選擇小直徑刀具進(jìn)行加工。
05
裝夾方式選擇
傳統(tǒng)裝夾定位采用壓板壓緊工件銑削或者用膠粘接的方式，反復(fù)翻轉(zhuǎn)加工，不僅加工周期長(zhǎng)，而且還會(huì)因?yàn)楣ぜ植抗钠鸲斐沙叽缇植孔冃〕睢２捎谜婵瘴P(pán)+鈑金校形的加工方法，可以保證工件的尺寸精度，提升加工效率，控制變形。
真空吸盤(pán)可以無(wú)視工件變形，將工件吸平在吸盤(pán)工作面上，完美保證工件厚度尺寸，解決了工件裝夾定位的難點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)限制，吸盤(pán)只能吸平面，具有局限性[3]。且加工時(shí)吸盤(pán)邊緣吸力較中心弱，其封條外圍由于無(wú)吸力拉扯而存在翹曲現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多次加工試驗(yàn)證實(shí)，只有當(dāng)封條接近或超過(guò)工件邊緣時(shí)，才能保證吸盤(pán)完全吸平工件，并且對(duì)工件產(chǎn)生最大吸力，從而抵抗加工中的切削力，保證工件邊緣尺寸與內(nèi)部一致。由于結(jié)構(gòu)限制，吸盤(pán)封條的安裝寬度不能靈活調(diào)整，所以設(shè)計(jì)了吸盤(pán)工裝來(lái)解決吸盤(pán)的限制問(wèn)題。工裝吸板料如圖4所示，在吸盤(pán)上設(shè)計(jì)一個(gè)大工裝板，其四周用螺釘壓緊限制其移動(dòng)，中間掏氣孔與吸盤(pán)氣孔連通，兩邊設(shè)計(jì)定位銷(xiāo)。工裝板和吸盤(pán)間用封條密封，工裝板表面用小立銑刀劃出氣道。在這個(gè)工裝板上可以自由設(shè)計(jì)密封圈大小，以適應(yīng)不同大小的工件。
圖4 工裝吸板料示意
在吸盤(pán)上安裝工裝的靈活之處，在于對(duì)于一些帶有復(fù)雜階梯凸臺(tái)、凹槽的工件（見(jiàn)圖1），也可以實(shí)現(xiàn)完美吸附、定位，保證其各位置尺寸、厚度一致性，同時(shí)方便反復(fù)翻面裝夾控制變形。還可以在其上用定位銷(xiāo)定位一個(gè)小工裝（見(jiàn)圖5），用來(lái)加工異形臺(tái)階薄板類(lèi)工件。
a）正面
b）反面
圖5 小工裝
工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于要挖出適宜臺(tái)階，并在臺(tái)階上和槽里都劃出氣道與氣孔相連。為了節(jié)省工裝材料，正反兩面使用一個(gè)工裝板，可以保證工件每個(gè)臺(tái)階面都緊貼工裝板，以保證加工厚度。加工完成后由鉗工校平，即可滿(mǎn)足要求。
06
結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)薄板類(lèi)零件的加工以數(shù)控銑削為主時(shí)，數(shù)控工藝優(yōu)化與改進(jìn)的可行途徑有很多，可以對(duì)NC程序、刀具、夾具、毛坯、零件及機(jī)床等諸方面進(jìn)行改進(jìn)。但策略不同，工藝改進(jìn)的代價(jià)不同。此類(lèi)型工件在實(shí)際生產(chǎn)中是非常具有代表性的。在精密加工中，通過(guò)試驗(yàn)不同刀路、切削環(huán)境和加工工藝對(duì)變形的影響，以及不同厚度下工件的易變形程度，總結(jié)出一套薄板類(lèi)零件的切削工藝。通過(guò)設(shè)計(jì)吸盤(pán)工裝，實(shí)現(xiàn)了吸盤(pán)對(duì)異形薄板的加工能力，解決了生產(chǎn)難題。
