大型銅合金薄壁件的制造工藝探究范文

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《東方電氣評論雜志》2016年第2期

摘要:

針對一種結構形狀復雜、加工工藝性差的銅合金薄壁件在銑削加工時產生變形的原因及控制方法作了重點研究，提出了一套高效的數控加工工藝方案。該技術已成功用于某大型銅合金薄壁件的批量數控制造，為該類大型細長銅合金薄壁件的加工提供了技術支撐。

關鍵詞:

銅合金薄壁件;加工變形;刀位路徑規劃;工藝

在航空業中已廣泛使用鋁合金薄壁件，其結構多為側壁和腹板組成，切削余量很不均勻。這類結構在切削力的作用下極易產生變形，造成厚度尺寸偏差，極大影響了產品質量，多年來一直困擾著機械加工工程師。國內外很多知名專家都探索過此類零件的數控加工工藝方案，是一個比較難以解決的復雜系統制造難題。本文研究的銅合金薄壁件結構形狀復雜，其輪廓尺寸相對截面尺寸較大，數控加工余量大、不均勻，銅合金的剛度低，故加工工藝性差。國內外針對大型細長薄壁類零件數控加工的研究很少，且只通過單一的冷加工方式完成這類零件制造的更少。

1某銅合金薄壁工件的結構特點及加工難點

1.1結構特點分析

圖1為某大型銅合金薄壁件的外形結構圖，該工件屬于典型的長條薄壁零件，正、背面與中心線成楔形夾角，L段與中心線成1°～5°斜角。長5000mm，最厚處50mm，最薄處11mm，銅合金材料。各面平面度小于0.05mm，厚度公差小于0.15mm，各加工面相互位置度0.03mm～0.06mm。

1.2加工難點分析

根據該銅合金薄壁件的結構及技術要求分析，其加工的主要難點在于:(1)機床精度對工件幾何精度的影響;(2)毛坯殘余應力引起的加工變形;(3)工件吊裝過程引起的變形。針對上述主要的加工難點，具體分析機床精度、加工變形、工件翻身吊裝對加工的影響及解決措施，作出相應的工藝方案并進行首件試加工。對加工工序和路線、工件的裝卡方式、裝卡位置、刀具軌跡以及切削參數等進行優化，將工件的加工變形控制在許可的范圍之內，提高工件的加工效率和產品合格率。

2數控機床精度對工件幾何精度的影響及加工機床選擇

2.1數控機床精度對工件幾何精度的影響

數控機床精度對工件幾何精度的影響主要有以下幾個方面。(1)數控龍門銑X軸傾斜度、2條X軸平行度對工件幾何精度的影響。X軸傾斜度、2條X軸平行度過大，加工刀具軌跡不在一個平面運行，導致加工工件正、背面在長度方向上厚度不等，平面度、厚度公差、加工面相互位置度超差。(2)數控龍門銑X軸、Y軸直線度對工件幾何精度的影響。X軸、Y軸直線度過大，導致加工工件表面成波浪狀，平面度超差。(3)數控龍門銑Y軸傾斜度對工件幾何精度的影響。Y軸傾斜度過大，導致工件正、背面與中心線楔形夾角超差。(4)機床定位精度、重復定位精度對工件幾何精度的影響。機床定位精度、重復定位精度超差，導致加工件幾何尺寸、加工表面質量超差。

2.2數控加工機床選擇

根據該銅合金薄壁件的結構和精度要求，為減小機床精度對工件加工幾何精度的影響，加工前需對機床進行精度檢測，使數控機床滿足以下要求。

2.2.1數控龍門銑機床規格及附件銑頭配置

工作臺:長5.5m，寬3.5m，X軸行程大于6m，Y軸行程大于4m;萬能角度銑頭:C軸、A軸能任意角度轉動定位。

2.2.2機床幾何精度

傾斜度:X軸、Y軸＜0.03/m;平行度:2條X軸＜0.03/m;直線度:X軸、Y軸＜0.03/m。

2.2.3機床定位精度

X/Y/Z軸:0.015mm/2000mm。2.2.4重復定位精度X/Y/Z軸:0.01mm/2000mm。

3引起薄壁件數控加工變形的原因分析及控制方法

在切削加工中，加工變形現象普遍存在，整體壁板、框架類等零件變形比較其他結構類型零件更為嚴重。

3.1引起工件變形的主要原因

引起工件變形的因素很多很復雜，主要有以下幾種。(1)毛坯殘余應力引起的加工變形。(2)切削力引起的變形。(3)切削熱引起的變形。切削熱引起的變形是加工變形的主要因素之一，長時間連續切削導致工件溫度不斷升高，工件彎曲變形。切削加工后溫度降到常溫，已加工面變形，導致加工面平面度超差。(4)工件裝夾引起的變形。(5)自然失效引起的變形。

3.2大型銅合金薄壁件數控加工變形控制方案

控制加工變形的常用方法:①降低或均化毛坯殘余應力;②合理的加工工序和刀位路徑規劃;③合理的切削加工參數;④良好的冷卻潤滑;⑤無附加應力的裝夾。

3.2.1降低或均化毛坯殘余應力

理論和實驗表明，切削加工最大變形量一般出現在銑削量60%～70%左右，后續加工的變形量逐步減小。實際加工中，當銑削量達到60%～70%后，可將工件從夾具上卸下，使其自由變形后盡量保持自由裝夾，再進行后續加工，可以很大程度上消除工件加工變形。因此，該銅合金件段鍛造后，需進行粗加工，以降低毛坯殘余應力引起的變形。工件單面留加工余量5mm，周邊留加工余量6mm～8mm，保證變形余量，便于后續加工裝夾。

3.2.2合理的加工工序和刀位路徑規劃技術

該薄壁件經過粗加工和運輸震動，殘余應力得到很大釋放。半精加工采用逐層切削，正、背面滾動加工，后續加工的變形量逐步減小。使其自由變形后盡量保持無附加應力的自由裝夾，再進行精加工。為檢驗加工方案的合理性，進行試加工對加工工序和路線、工件的裝夾方式、裝夾位置、刀具軌跡、冷卻潤滑、合理的切削加工參數進行優化。采用壓板裝壓固定，對等厚銅合金板材加工，由于工件各部位切削加工余量相差很大，加工后彎曲變形3mm～5mm。圖2為大面加工刀位路徑規劃方案，圖3為指型槽配加工刀位路徑規劃方案。

3.2.3切削加工參數

該大型薄壁工件的材料為銅合金，布氏硬度:250。綜合機床精度、萬能角銑頭定位角度誤差等因素對加工面幾何精度和表面質量的影響，選擇80方尖銑刀，刀具切削后角6°，刀片選用R0.8圓角的標準K10－K20硬質合金刀片。切削加工參數根據銅合金材料切削加工參數、綜合切削力、切削熱引起的加工變形、薄壁零件加工特性、加工效率等因素確定。表1為切削參數。

3.2.4冷卻潤滑

切削熱引起的變形是加工變形的主要因素之一，長時間連續切削導致工件溫度不斷升高，工件彎曲變形。切削加工后溫度降到常溫，已加工面變形，導致加工面平面度超差。銅合金材料熱膨脹系數較大，銅合金切削加工冷卻比潤滑更重要，使用水溶性的潤滑冷卻液，添加5%～10%的冷卻潤滑劑，能達到良好的冷卻潤滑效果。同時，避免長時間連續切削，嚴格檢測控制加工過程溫差變化。

3.2.5無附加應力的裝夾

合理的裝夾方案可以大大減小裝夾所引起的附加殘余應力。采用正、背面胎具進行支撐、無附加應力的裝夾方式定位工件，可減小因裝夾引起的變形。正、背面胎具設計成分段式，減小胎具受溫差變化而變形的影響。裝夾定位方式采用側面頂塊定位工件，頂塊沿工件長度方向布置，減小切削熱引起的工件變形，使工件受熱延伸后盡量保持無附加應力的自由裝夾。圖4為工裝及壓板示意圖。

4大型銅合金薄壁件的實際加工驗證

對余量較大的工件加工面采用逐層切削，半精加工每層0.5mm，正、背面滾動加工。加工過程檢測結果，每層加工溫度升高4℃～6℃，每加工2層溫度升高7℃～8℃，加工面平面度0.07mm，加工余量均勻，加工變形控制在許可的范圍之內。精加工每層0.3mm，正、背面滾動加工，最后一刀精加工量0.1mm。檢測結果顯示，每層加工溫度升高3℃，加工面平面度0.03mm，滿足加工要求。圖5為加工件的虛擬仿真圖與實際加工圖片。

5結語

該大型銅合金薄壁件經過實際生產加工、檢測，完全滿足設計要求。通過實際生產加工與試加工進行對比，發現了引起大型薄壁零件加工變形的幾個關鍵因素，并在實際生產中對工藝方案進行了優化改進。(1)加工余量均勻，加工變形較小。加工件局部余量較大，加工變形較大。(2)分段式胎具在加工過程中沒有變形，整體式胎具在加工過程中有輕微變形(胎具支撐面平面度0.06mm～0.08mm)。大型薄壁零件支撐裝夾胎具采用分段式結構效果更好。(3)逐層切削，正、背面滾動加工，后續加工的變形量逐步減小。自由變形后盡量保持無附加應力的自由裝夾，進行精加工，對減小加工變形效果明顯。

作者:劉軍 吳家奎 謝賢斌 胡章洪 單位:東方電氣東方電機有限公司