针对铝合金薄壁类零件的数控铣削变形难题，从零件原材料性能、铣削前后残余应力的分布、刀具和切削工艺参数的选择及不同精度工装的使用等方面进行分析，确定影响零件变形的主要原因。介绍当前的变形控制方法和国内外研究现状，为薄壁件数控铣削提供了理论依据和研究方向。
1 序言
目前，航空航天业对飞行器的机动性、稳定性和经济性需求不断提高。在满足飞行器使用要求的前提下，研发单位既要保证满足飞行器结构强度和刚度要求，又要满足减轻飞行器整体质量的要求。基于航空飞行器减重要求，钢、铝及钛合金薄壁件获得了广泛应用。
薄壁件是指壁厚与曲率半径之比＜1∶20的回转体零件，或者壁厚＜3mm的框、梁、壁板、腹板及筋条类零件，图1、图2所示分别为航空飞行器采用的典型腹板、梁类薄壁件。由于薄壁件自身的特点，因此在加工过程中受毛坯去除量大、工艺复杂等因素影响，易发生变形；切削过程中切削力和夹紧力也会导致薄壁件变形；同时，零件材料、工件的几何形状及刚度、残余应力、数控加工工艺缺陷、切削参数设置不合理以及工装夹具精度不够等因素，都会影响零件的加工精度。薄壁件如果变形量过大，则会影响零件质量、使用寿命及装配精度，甚至会影响飞行安全。
综上所述，薄壁件的数控加工变形控制非常必要。铝合金是航空企业应用最广泛的薄壁件材料，具有低密度、轻量化、薄壁化、高精度及衔接性强等特点，本文针对铝合金框类薄壁件加工，从多个方面分析数控铣削变形的原因，总结出变形控制的相关工艺与解决方法，并介绍国内外薄壁件变形控制方法的研究现状。
图1 铝合金腹板薄壁件
图2 铝合金梁类薄壁件
2 薄壁件铣削变形原因分析与控制方法
影响薄壁件铣削加工精度的因素很多，与零件原材料初始性能、零件设计的几何形状及刚度要求、铣削前后残余应力分布及释放情况、刀具及铣削工艺参数的选择、工装夹具结构设计、加工工艺方法及加工设备的选择等均有关系。由于零件壁薄，整体刚度较差，铣削后应力分布不均匀，因此在一定的切削力和装夹力作用下，导致薄壁件容易产生变形。薄壁件数控铣削变形与控制是多门学科交叉问题，主要涉及材料力学、金属切削加工学、刀具设计、材料学、材料成型及机械制造等领域，如何完美控制薄壁件铣削加工变形是航空航天产品加工工艺中一直存在的难题之一[1]。目前，经过大量科研人员的研究分析，总结出影响薄壁件数控铣削加工变形的主要因素，包括以下4个方面。
（1）原材料物理性能及设计结构 航空航天铝合金材料的弹性模量一般为70GPa左右，大约为钢结构材料的1/4。由于铝合金原材料的弹性模量较小，韧性相对较大，因此在数控铣削加工过程中容易产生变形、回弹及“让刀”现象，尤其是大型框类、腹板类和壁板类薄壁件更为严重，其对零件精度的影响不容忽视。从大多数航空航天产品制造加工实例来看，同等加工条件下，铝合金零件变形量远远大于钢件。此外，大多数框类薄壁件形状复杂，薄壁部位多，自身硬度小，结构不对称，都会对零件加工精度产生很大影响。
（2）毛坯残余应力 毛坯即没有经过深加工的零件。为获得良好的机械性能，铝合金板材一般经过轧制、拉伸、热处理和时效等一系列工艺流程，在这些流程中产生不均匀的应力场和温度场，导致残余应力在板材内产生。在毛坯状态时，残余应力以平衡状态存在于板材内。随着切削加工的进行，零件内应力失去原有的平衡，零件毛坯内的残余应力由于切削而发生变化，一部分残余应力随着切屑和切削热被带走，另一部分残余应力由于切削热和切削力的影响而增大，残余应力的分布呈现不均匀性，零件内部为了达到力的平衡性分布，只能通过零件变形的方式来恢复内部应力平衡状态。经过数控切削加工的铝合金零件，由于切削热、切削力和切屑影响而留下的残余应力深度一般为0.1mm左右，当零件设计厚度比较大时，其铣削后的刚度也大，此时由于切削热、切削力和切屑而产生的残余应力不足以克服零件原材料的屈服强度而发生塑性变形。但是，对于厚度在2mm以内的中大型航空薄壁件来说，此时由于切削热、切削力和切屑而产生的残余应力足以克服零件原材料的屈服强度而发生塑性变形。有大量调查研究表明，毛坯残余应力是影响薄壁件变形的重要因素之一[2]。
（3）刀具及切削参数 铝合金材料相对刚度差、塑性好，选择适当的刀具材料对零件加工精度十分重要。在切削铝合金时，铣削刀具应该选择高硬度、抗冲击和耐磨性高的材料，并且要选择与工件材料亲和力小的材料，这样可以避免出现刀具变形、卷刃和粘刀等现象。在实际工程应用中，推荐采用带有涂层的硬质合金刀具。
切削参数的选择不仅对零件精度有很大影响，而且会影响机床工作状态。选择切削参数时，要考虑机床功率、毛坯材料、刀具直径和刀具长度等主要因素。在实际铣削中，提高铣削速度vc既可以大大提高金属去除率，又能优化零件表面加工质量。目前的研究中，对于大型铝合金梁类、壁板类、腹板类及框类薄壁结构件而言，将切削力作为铣削速度的选择标准。铣削力随着进给量fz的增大而增大。切削力越大，零件加工质量越差。零件精加工铣削时，应当选取相对合适的进给量。实际加工中，通常选取进给量0.1～0.15mm/z，这样既能保证适中的铣削力，又能保证零件的加工效率。在数控铣削过程中，切削深度和切削宽度同样对零件加工精度和表面加工质量有着重要影响。实际加工中，选用小切削深度和大切削宽度，即“浅切快走”的铣削方式，可有效提高零件精度和表面质量。一般推荐切削深度为1～5mm，切削宽度为0.3D～0.7D（D为刀具直径）。
刀柄主要起到传递数控机床扭矩输出和传递数控机床原始精度的作用。刀柄一端与机床主轴相连接，另一端与刀具相连接。由于高精度铣削加工对刀柄有着极高要求，因此刀柄必须具备高精度、高强度和高重复装夹精度等特点。目前，圆锥空心刀柄广泛用在高速切削机床中。同样，利用热胀冷缩原理的热缩刀套夹持系统，以其可以满足超高速切削特性而被广泛应用在一些特殊深腔零件或者复杂薄壁件加工中。此外，某些特殊薄壁件加工时，还会应用到角度头，角度头对机床精度、扭矩及主轴角度的传递同样会影响零件的精度。
（4）零件的装夹 零件装夹是机械加工最基本的环节。薄壁件的装夹方式主要包括机械、液压和真空吸附装夹等[3]。装夹主要包括定位和夹紧两部分，定位和夹紧相互作用，二者不分主次，合理的装夹定位对零件的加工质量、加工精度有着十分重要的影响。首先，将毛坯正确置于工装夹具中，保证夹紧力适中，作用点及作用方向精准。为了提高加工精度，要注重调整夹紧力分布，避免集中夹紧问题，尽量在刚度较好的位置进行装夹。如果夹紧力过大，薄壁件在加工过程中极易产生变形，并且可能出现“欠切”现象；如果夹紧力过小，薄壁件在数控切削过程中会由于切削力变化而发生颤动，同时可能会伴随出现刀具“过切”零件的现象，从而导致零件表面几何变形超差，增加了零件报废的风险。
除了上述主要因素外，机床定位精度、重复定位精度、工艺程序铣削路径、工装夹具的刚度、铣削刀具的磨损状态、刀具和零件切削热影响以及冷却系统等因素对铣削薄壁件的加工精度及控制变形都存在影响。如果想全面地、深入地了解引起薄壁件数控铣削变形的产生机理，就需要科研人员、工艺人员及操作人员共同对薄壁件数控加工全过程及影响变形的因素进行深入的分析和研究。
3 薄壁件数控加工变形控制的研究现状
目前，德国、日本、美国、法国和英国等工业制造水平较高的国家，对于铝合金薄壁件数控铣削变形控制已经积累了多年的经验，并且取得了重要进步。这些国家无论是在数控机床、加工刀具、数控控制系统、工装夹具和零件原材料方面，还是在数控加工技术理论研究、生产实践方面都具有一定的优势。美国密西根大学研究并开发了可以有效控制大型整体结构件及腹板类薄壁件数控铣削变形的铣削路径优化理论和计算机有限元仿真软件[4]。法国巴黎航空工业学院与其国家宇航局联合建立专门的强度实验室，主要研究如何解决航天飞行器大型整体结构件设计问题与加工制造变形问题，同时又深入开展了工艺策划优化方法和零件安全校正技术等研究[5]，但因为涉及国防关键技术，目前仅查到一些关于变形控制的子技术。为了解决单一主轴数控铣削薄壁件变形的问题，日本IWABE等人提出了平行双主轴加工方案[6]。TLUSTY等人提出了充分合理利用零件本身整体刚度的铣削加工方案，零件铣削变形控制能力及生产效率都得到了极大的提高[7，8]。
国内对航空航天铝合金薄壁件数控铣削加工变形预测及变形控制方面的研究主要集中在高校和科研院所，包括航空工业制造院、中科院金属所、北京航空航天大学、南京航空航天大学、大连理工大学和沈阳航空航天大学等。还有一部分制造企业也在对薄壁件变形控制方面进行相关研究，比如沈阳机床股份有限公司、上海优尼斯工业服务有限公司、航空工业成飞和中航西飞等公司。北京航空航天大学梅中义等研究了飞机大型弧形薄壁件的数控铣削加工变形情况，分析了数控加工过程中的切削应力、装夹结构对铣削零件变形的影响，同时提出了变形控制方案[9-11]。南京航空航天大学武凯等利用数值模拟技术分析框梁结构件的腹板、筋条和缘条的变形规律，提出了框梁薄壁件数控加工变形控制方法，即大切削深度法和分布式环切法，可以有效利用薄壁件自身刚度来减小变形，提高数控铣削加工精度[12-14]。航天特种材料及工艺技术研究所缪伟民与何为总结出加工前后零件的残余应力释放、加工中的热应力分布和零件装夹力大小对变形的影响情况，并提出利用计算机有限元仿真分析，通过高精度夹具的优化、数控铣削路径的优化等方面控制薄壁件趋势变形[15，16]。沈阳航空航天大学于金、高彦梁提出利用ABAQUS仿真预测薄壁件变形，通过遗传算法得到最优的多点柔性工装装夹系统，并且通过实际零件加工验证理论模型的准确性[17-19]。
4 结束语
铝合金薄壁类零件的数控加工变形控制方法非常复杂。由于存在壁厚薄、刚度差和密度低等特点，以至于影响薄壁件变形的因素众多，主要包括零件原材料本身的性能、铣削前后残余应力的分布情况、刀具和切削工艺参数的选择以及不同精度工装的使用等。本文详细分析了刀具材料、切削工艺参数、刀柄结构形式及零件工装夹紧力对薄壁件数控铣削加工的影响，并总结了当前的变形控制方法和国内外研究情况，为国内工艺人员及数控操作人员控制薄壁件数控铣削加工变形提供了一定的理论依据。
专家点评
铝合金薄壁件的数控铣削变形原因非常复杂，变形控制涉及多门学科。作者全面分析了影响变形的主要因素，以及刀具材料、切削参数、刀柄结构及工装夹紧力对铣削变形的影响程度和控制方法。
文章论点准确，分析透彻，亮点是薄壁件铣削变形的原因分析，以及各项因素对变形控制的影响。能够抓住问题的关键进行深入研究，客观总结当前的变形控制方法和国内外研究方向，为控制薄壁件铣削变形提供了参考依据。
