01
序言
铝合金薄板类零件是机箱类工件的常见零件，其加工变形的控制、厚度一致性的保证一直是加工的难点，尤其是T4状态、T6状态等硬度高、易变形，传统加工方法加工周期长，极难保证工件厚度的一致性和表面质量。本文总结了薄板、多台阶异形薄板类工件的变形原因和加工经验，探讨真空吸盘的加工技巧。
02
加工技巧
图1为某盖板类工件简化模型，为中心旋转对称类工件，旋转角度为120°，其中一面有1mm凸台，另一面有2mm凹槽，工件厚度为2.5mm。结合工件外形尺寸，判定工件为薄板类工件。工件材料为T4状态硬铝合金，极易变形，加工时也容易造成厚度尺寸不均匀。
a）正面
b）反面
图1 某盖板类工件简化模型
03
工件变形分析
传统加工方法用AB胶粘结固定的微应力装夹方法，或采用倒压板分区域局部加工的方法。其中胶粘法存在工件因变形造成中间鼓起变薄的情况，且由于鼓起的中间部位无支撑力，因此会造成加工颤动，影响表面质量，不适合薄板类加工。倒压板的方法虽受变形的影响较小，但是也存在接刀不好控制、工件变形严重的缺点，且受压板长度限制，不适宜加工大型薄板。因此两种方法都存在加工变形不易控制的缺点。要想尽量限制变形对加工的影响，首先要清楚工件变形的原因。
零件的变形按形态分为弯曲变形（见图2）、扭曲变形（见图3）以及弯曲与扭曲混合变形。在实际加工中工件变形无法消除，但可以通过变形原因分析，有针对性地控制变形，使其在可接受的范围内，从而保证工件的尺寸精度。
图2 弯曲变形
图3 扭曲变形
通过查找资料[1]和加工实践，总结出造成零件变形的原因主要有以下几个方面。
1）毛坯材料已有的变形造成的误差复映。要控制此类变形的影响，需要在加工前对毛坯材料进行修整，可以采用胶粘法的微应力装夹方式，通过翻转反复加工修平工件表面，消除误差复映的影响。
2）材料因切削破坏内部残余应力平衡而造成变形。这种变形是由于材料内部存在非均匀分布的内应力点，在加工前毛坯处于应力平衡的状态，加工后由于材料切除，局部内应力点消失，平衡被打破，因此工件必然会变形，直到工件内应力重新达到平衡点。此类变形对小型或结构强度高的工件影响不大，但却是大型航空航天结构工件变形的主要原因。此类变形极难控制，对于小型工件，可以通过安排粗加工提前释放工件变形来进行控制。对于大型工件，由于变形严重，粗加工后若留量较小，工件会因变形超差；若留量太大，又无法有效释放变形，因此如果条件允许的话，大型易变形工件可以采用铸造加工。必须进行切除加工时，需要针对毛坯的制造方法建立大型数据库，通过数据收集、分析确定此类毛坯的大致应力分布方式，有针对性地安排加工工艺，此方法需大型有条件的企业有组织地去积累完善，不适合小型企业。
3）已切削表面切削残余应力造成的变形。刀具切削过的表面，由于经过挤压和热变形，因此会在已加工表面形成应力层[2]。此应力层的深度受切削环境（刀具材料、刀具的锋利程度、加工冷却是否充分及工件材料等）的影响会有变化。对于铝合金材料，精加工时切削应力层的深度一般在0.1mm左右。此类变形对于薄板类工件的影响较大，是本文主要讨论的类型。
04
加工工艺分析
在不考虑材料因切削破坏内部残余应力平衡而造成变形的原因时，影响工件变形的主要因素是加工中的切削热、背吃刀量、刀具锋利程度及切削方向。
加工中的切削热、背吃刀量和刀具锋利程度会影响工件切削应力层的深度，进而影响变形程度。散热越不好，背吃刀量越大，刀具越钝，工件变形越严重[2]。在散热良好的情况下，切削速度对变形的影响很小，可以忽略不计。
切削方向对工件变形类型有很大影响。以形状规则的长宽尺寸为200mm×200mm、厚度为4mm的正方形薄板为例，当刀路为平行刀路时，工件更易形成拱门形的弯曲变形，且变形方向为沿着加工刀路方向弯曲，往往向着刚加工过的表面鼓起。通过控制切削走刀方向，并采用单轴往复加工，可以将变形控制为单向拱形弯曲变形。这时通过少切削往复翻面铣削，再适当控制背吃刀量，可以有效控制变形。精加工时，每次切削厚度在0.05mm左右，刀具直径＜8mm时，切削应力小，散热效果好，对工件变形影响最小。工件厚度对变形也有一定影响，对于T4状态薄板，当厚度＜8mm时，切削刀路对变形的影响开始变大。刀具直径也会对变形产生较大影响，由于直径越大，薄板类工件的变形越大，同时也越复杂，因此在保证加工效率的基础上，应尽量选择小直径刀具进行加工。
05
装夹方式选择
传统装夹定位采用压板压紧工件铣削或者用胶粘接的方式，反复翻转加工，不仅加工周期长，而且还会因为工件局部鼓起而造成尺寸局部变小超差。采用真空吸盘+钣金校形的加工方法，可以保证工件的尺寸精度，提升加工效率，控制变形。
真空吸盘可以无视工件变形，将工件吸平在吸盘工作面上，完美保证工件厚度尺寸，解决了工件装夹定位的难点。但由于结构限制，吸盘只能吸平面，具有局限性[3]。且加工时吸盘边缘吸力较中心弱，其封条外围由于无吸力拉扯而存在翘曲现象。经过多次加工试验证实，只有当封条接近或超过工件边缘时，才能保证吸盘完全吸平工件，并且对工件产生最大吸力，从而抵抗加工中的切削力，保证工件边缘尺寸与内部一致。由于结构限制，吸盘封条的安装宽度不能灵活调整，所以设计了吸盘工装来解决吸盘的限制问题。工装吸板料如图4所示，在吸盘上设计一个大工装板，其四周用螺钉压紧限制其移动，中间掏气孔与吸盘气孔连通，两边设计定位销。工装板和吸盘间用封条密封，工装板表面用小立铣刀划出气道。在这个工装板上可以自由设计密封圈大小，以适应不同大小的工件。
图4 工装吸板料示意
在吸盘上安装工装的灵活之处，在于对于一些带有复杂阶梯凸台、凹槽的工件（见图1），也可以实现完美吸附、定位，保证其各位置尺寸、厚度一致性，同时方便反复翻面装夹控制变形。还可以在其上用定位销定位一个小工装（见图5），用来加工异形台阶薄板类工件。
a）正面
b）反面
图5 小工装
工装设计的关键在于要挖出适宜台阶，并在台阶上和槽里都划出气道与气孔相连。为了节省工装材料，正反两面使用一个工装板，可以保证工件每个台阶面都紧贴工装板，以保证加工厚度。加工完成后由钳工校平，即可满足要求。
06
结束语
当薄板类零件的加工以数控铣削为主时，数控工艺优化与改进的可行途径有很多，可以对NC程序、刀具、夹具、毛坯、零件及机床等诸方面进行改进。但策略不同，工艺改进的代价不同。此类型工件在实际生产中是非常具有代表性的。在精密加工中，通过试验不同刀路、切削环境和加工工艺对变形的影响，以及不同厚度下工件的易变形程度，总结出一套薄板类零件的切削工艺。通过设计吸盘工装，实现了吸盘对异形薄板的加工能力，解决了生产难题。
