大型铜合金薄壁件的制造工艺探究范文

《东方电气评论杂志》2016年第2期

摘要:

针对一种结构形状复杂、加工工艺性差的铜合金薄壁件在铣削加工时产生变形的原因及控制方法作了重点研究，提出了一套高效的数控加工工艺方案。该技术已成功用于某大型铜合金薄壁件的批量数控制造，为该类大型细长铜合金薄壁件的加工提供了技术支撑。

关键词:

铜合金薄壁件;加工变形;刀位路径规划;工艺

在航空业中已广泛使用铝合金薄壁件，其结构多为侧壁和腹板组成，切削余量很不均匀。这类结构在切削力的作用下极易产生变形，造成厚度尺寸偏差，极大影响了产品质量，多年来一直困扰着机械加工工程师。国内外很多知名专家都探索过此类零件的数控加工工艺方案，是一个比较难以解决的复杂系统制造难题。本文研究的铜合金薄壁件结构形状复杂，其轮廓尺寸相对截面尺寸较大，数控加工余量大、不均匀，铜合金的刚度低，故加工工艺性差。国内外针对大型细长薄壁类零件数控加工的研究很少，且只通过单一的冷加工方式完成这类零件制造的更少。

1某铜合金薄壁工件的结构特点及加工难点

1.1结构特点分析

图1为某大型铜合金薄壁件的外形结构图，该工件属于典型的长条薄壁零件，正、背面与中心线成楔形夹角，L段与中心线成1°～5°斜角。长5000mm，最厚处50mm，最薄处11mm，铜合金材料。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加工难点分析

根据该铜合金薄壁件的结构及技术要求分析，其加工的主要难点在于:(1)机床精度对工件几何精度的影响;(2)毛坯残余应力引起的加工变形;(3)工件吊装过程引起的变形。针对上述主要的加工难点，具体分析机床精度、加工变形、工件翻身吊装对加工的影响及解决措施，作出相应的工艺方案并进行首件试加工。对加工工序和路线、工件的装卡方式、装卡位置、刀具轨迹以及切削参数等进行优化，将工件的加工变形控制在许可的范围之内，提高工件的加工效率和产品合格率。

2数控机床精度对工件几何精度的影响及加工机床选择

2.1数控机床精度对工件几何精度的影响

数控机床精度对工件几何精度的影响主要有以下几个方面。(1)数控龙门铣X轴倾斜度、2条X轴平行度对工件几何精度的影响。X轴倾斜度、2条X轴平行度过大，加工刀具轨迹不在一个平面运行，导致加工工件正、背面在长度方向上厚度不等，平面度、厚度公差、加工面相互位置度超差。(2)数控龙门铣X轴、Y轴直线度对工件几何精度的影响。X轴、Y轴直线度过大，导致加工工件表面成波浪状，平面度超差。(3)数控龙门铣Y轴倾斜度对工件几何精度的影响。Y轴倾斜度过大，导致工件正、背面与中心线楔形夹角超差。(4)机床定位精度、重复定位精度对工件几何精度的影响。机床定位精度、重复定位精度超差，导致加工件几何尺寸、加工表面质量超差。

2.2数控加工机床选择

根据该铜合金薄壁件的结构和精度要求，为减小机床精度对工件加工几何精度的影响，加工前需对机床进行精度检测，使数控机床满足以下要求。

2.2.1数控龙门铣机床规格及附件铣头配置

工作台:长5.5m，宽3.5m，X轴行程大于6m，Y轴行程大于4m;万能角度铣头:C轴、A轴能任意角度转动定位。

2.2.2机床几何精度

倾斜度:X轴、Y轴＜0.03/m;平行度:2条X轴＜0.03/m;直线度:X轴、Y轴＜0.03/m。

2.2.3机床定位精度

X/Y/Z轴:0.015mm/2000mm。2.2.4重复定位精度X/Y/Z轴:0.01mm/2000mm。

3引起薄壁件数控加工变形的原因分析及控制方法

在切削加工中，加工变形现象普遍存在，整体壁板、框架类等零件变形比较其他结构类型零件更为严重。

3.1引起工件变形的主要原因

引起工件变形的因素很多很复杂，主要有以下几种。(1)毛坯残余应力引起的加工变形。(2)切削力引起的变形。(3)切削热引起的变形。切削热引起的变形是加工变形的主要因素之一，长时间连续切削导致工件温度不断升高，工件弯曲变形。切削加工后温度降到常温，已加工面变形，导致加工面平面度超差。(4)工件装夹引起的变形。(5)自然失效引起的变形。

3.2大型铜合金薄壁件数控加工变形控制方案

控制加工变形的常用方法:①降低或均化毛坯残余应力;②合理的加工工序和刀位路径规划;③合理的切削加工参数;④良好的冷却润滑;⑤无附加应力的装夹。

3.2.1降低或均化毛坯残余应力

理论和实验表明，切削加工最大变形量一般出现在铣削量60%～70%左右，后续加工的变形量逐步减小。实际加工中，当铣削量达到60%～70%后，可将工件从夹具上卸下，使其自由变形后尽量保持自由装夹，再进行后续加工，可以很大程度上消除工件加工变形。因此，该铜合金件段锻造后，需进行粗加工，以降低毛坯残余应力引起的变形。工件单面留加工余量5mm，周边留加工余量6mm～8mm，保证变形余量，便于后续加工装夹。

3.2.2合理的加工工序和刀位路径规划技术

该薄壁件经过粗加工和运输震动，残余应力得到很大释放。半精加工采用逐层切削，正、背面滚动加工，后续加工的变形量逐步减小。使其自由变形后尽量保持无附加应力的自由装夹，再进行精加工。为检验加工方案的合理性，进行试加工对加工工序和路线、工件的装夹方式、装夹位置、刀具轨迹、冷却润滑、合理的切削加工参数进行优化。采用压板装压固定，对等厚铜合金板材加工，由于工件各部位切削加工余量相差很大，加工后弯曲变形3mm～5mm。图2为大面加工刀位路径规划方案，图3为指型槽配加工刀位路径规划方案。

3.2.3切削加工参数

该大型薄壁工件的材料为铜合金，布氏硬度:250。综合机床精度、万能角铣头定位角度误差等因素对加工面几何精度和表面质量的影响，选择80方尖铣刀，刀具切削后角6°，刀片选用R0.8圆角的标准K10－K20硬质合金刀片。切削加工参数根据铜合金材料切削加工参数、综合切削力、切削热引起的加工变形、薄壁零件加工特性、加工效率等因素确定。表1为切削参数。

3.2.4冷却润滑

切削热引起的变形是加工变形的主要因素之一，长时间连续切削导致工件温度不断升高，工件弯曲变形。切削加工后温度降到常温，已加工面变形，导致加工面平面度超差。铜合金材料热膨胀系数较大，铜合金切削加工冷却比润滑更重要，使用水溶性的润滑冷却液，添加5%～10%的冷却润滑剂，能达到良好的冷却润滑效果。同时，避免长时间连续切削，严格检测控制加工过程温差变化。

3.2.5无附加应力的装夹

合理的装夹方案可以大大减小装夹所引起的附加残余应力。采用正、背面胎具进行支撑、无附加应力的装夹方式定位工件，可减小因装夹引起的变形。正、背面胎具设计成分段式，减小胎具受温差变化而变形的影响。装夹定位方式采用侧面顶块定位工件，顶块沿工件长度方向布置，减小切削热引起的工件变形，使工件受热延伸后尽量保持无附加应力的自由装夹。图4为工装及压板示意图。

4大型铜合金薄壁件的实际加工验证

对余量较大的工件加工面采用逐层切削，半精加工每层0.5mm，正、背面滚动加工。加工过程检测结果，每层加工温度升高4℃～6℃，每加工2层温度升高7℃～8℃，加工面平面度0.07mm，加工余量均匀，加工变形控制在许可的范围之内。精加工每层0.3mm，正、背面滚动加工，最后一刀精加工量0.1mm。检测结果显示，每层加工温度升高3℃，加工面平面度0.03mm，满足加工要求。图5为加工件的虚拟仿真图与实际加工图片。

5结语

该大型铜合金薄壁件经过实际生产加工、检测，完全满足设计要求。通过实际生产加工与试加工进行对比，发现了引起大型薄壁零件加工变形的几个关键因素，并在实际生产中对工艺方案进行了优化改进。(1)加工余量均匀，加工变形较小。加工件局部余量较大，加工变形较大。(2)分段式胎具在加工过程中没有变形，整体式胎具在加工过程中有轻微变形(胎具支撑面平面度0.06mm～0.08mm)。大型薄壁零件支撑装夹胎具采用分段式结构效果更好。(3)逐层切削，正、背面滚动加工，后续加工的变形量逐步减小。自由变形后尽量保持无附加应力的自由装夹，进行精加工，对减小加工变形效果明显。

作者:刘军 吴家奎 谢贤斌 胡章洪 单位:东方电气东方电机有限公司