衬套薄壁零件加工变形的控制方法

摘要

本发明提出的一种衬套薄壁零件加工变形的控制方法，旨在提供一种有效地控制铝合金薄壁类零件加工变形,使其变形在可控制范围内，具有质量稳定可靠的变形控制方法。本发明通过下述技术方案予以实现：采用有限元分析模型文件和仿真模块进行应力有限元分析和应力应变状态趋势进行分析，用分块二阶20节点六面体单元进行网格划分，找到具体变形区域及变形量；选取变形最小的方案，制定工艺加工方案；进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，将外圆、内孔圆度控制在0.02mm内。数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长。本发明解决了衬套薄壁零件加工难题，合格率可提高到90％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制衬套薄壁零件变形的方法，尤其是高精度铝合金薄壁类零件加工变形的控制方法。 

背景技术

随着航空工业的发展,高强度铝合金薄壁件得到了广泛的应用。但是该类衬套薄壁零件在加工过程中受力容易变形,加工后的衬套薄壁零件不容易达到质量指标要求。铝合金薄壁件在切削过程中,如何消除和减少，有效制约该类衬套薄壁零件的加工变形是航空制造过程中一项备受关注的课题，现有加工技术不能从根本上解决该类问题。衬套薄壁零件是航空产品中较常见的一类衬套薄壁零件,其结构通常较复杂,精度要求高，加工工艺性差。铝合金薄壁类零件一般尺寸大而截面积较小,加工余量大但刚度较低,在加工中容易出现变形。比如材料为2A12-T4航空产品某重点关键部件中的一个轴类衬套零件,直径较大,壁薄而密封环形槽多,形位公差要求高,，因切削加工应力的存在,加工变形不可避免。发动机部分轴承衬套直径大于Ф70,外轮廓尺寸相对截面尺寸较大,内腔有至少两处不规则贯穿槽和不通槽组成的，而且采用铝制的轴承衬套槽壁厚最薄处只有1.5～1.65mm。加工中余量大,刚度低。 

发动机工作过程中轴承衬套承受载荷大、磨损严重，磨损铝粒易引起发动机滑油铝含量超标故障。为了降低和预防滑油铝含量超标故障，现有技术通常采用在原铝制轴承衬套表面覆盖一层硬质阳极氧化层。轴承衬套的内孔与外圆尺寸精度及同轴度要求高，由于轴承衬套的硬质阳极氧化加工受条件限制，在附件机匣装配轴承衬套后不能进行硬质阳极氧化处理，而必须将轴承衬套尺寸精加工到最终尺寸进行硬质阳极氧化后装配。硬质阳极氧化层不能进行车、镗削等机械加工，只能进行微量研磨的镀层。在加工过程中，铝合金结构薄壁件轴承衬套因其衬套薄壁零件内孔与外圆的同心度为0.01，壁厚差不大于0.01，制造难度大，加工极易变形，变形极难控制。根据薄壁零件在加工中的变形是不可避免的现象，采用正确的加工方法使其变形控制在有效的范围内，是工艺需要解决的问题。在航标薄壁标准中规定，对于薄壁零件的非配合尺寸在受力装配情况下能够恢复衬套薄壁零件设计图要求值并满足装配要求时，允许多截面平均值法进行测量。这就说明了薄壁零件的变形问题是较难避免的，但是该标准并不能满足实际使用需要。薄壁零件的变形主要因素包括： 

1.装夹因素。通常加工中一般采用三爪卡盘装夹，应力较大，易产生较大的弹性变形，使工件的尺寸公差和形位公差偏离预期目标；在铣中心精加工内孔、外圆。保证内孔与外圆的同心度0.01,圆柱度0.015，壁厚差不大于0.01。一次装夹加工外形面，各台阶面及内孔、外圆，因加工时的夹持力、加工应力未释放，当衬套薄壁零件切除衬套薄壁零件夹持部分后，应力释放，造成衬套薄壁零件变形，尺寸公差和形位公差不能保证。以薄壁铝合金衬套类零件车内孔为例，镗孔时，衬套薄壁零件采用软卡爪装夹，由于径向夹持力的作用，衬套薄壁零件受三个卡爪不规则作用力，产生椭圆状或者梨状变形。加工完成卸下工件后，由于撤销了径向力，工件弹性应力释放，工件外圆变形局部恢复，部分塑性变形导致工件内孔、外圆呈现不规则的椭球形，偏离加工要求。套内衬套薄壁零件通常采用的加工方案，其流程为：车工粗加工将内孔多余余量去除。车铣中心夹持衬套薄壁零件加工外圆、内孔及衬套薄壁零件其他结构一次加工成形，因夹持应力和加工应力的存在，不能有效解决上诉影响变形因素。对于尺寸精度和形位公差要求高的尺寸不能保证。实际加工中，衬套薄壁零件的加工合格率为零。 

2.加工应力大，铝合金衬套薄壁零件外形不规整。由于薄壁件直径大于Ф70mm，壁厚仅1.5-3mm，有些甚至只有1mm以下，内孔为中空形式，在车刀径向切削力的作用下，工件产生共振和谐振，产生较大应力，严重影响铝合金衬套薄壁零件的设计尺寸和光洁度等要素。在切削时，类似断续加工，切削冲击力较大，导致严重的应力变形。采用UGNX有限元分析模型文件和NX高级仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析可以看到，衬套薄壁零件在半精加工，加工内圆槽时，在不考虑衬套薄壁零件加工热效应的情况下，产生的加工应力变形沿衬套薄壁零件外圆呈曲线变化，最大位移变形已超过0.0376mm；塑性不可恢复变形集中于槽附近，加工产生的等效应力也集中于槽附近。单独分析切断模型时，产生更大的应力变形，最大达0.0525mm，因此精加工时必须改变夹紧方式。德国工程力学家Von Mises应力为按第四强度理论(物体某点达到最大应变能密度，材料发生屈服)计算物体复杂应力状态的应力值σ_s为对坐标轴的单向正应力，该复杂应力状态与在相同应力值σ_s下的纯单向拉伸变形具有等效的应力能。在此单向拉伸状态下，材料发生的塑性应变为上述复杂应力状态下的von mises等效塑性应变。德国工程力学家Von Mises于1913年提出的Von Mises屈服准则。Von Mises屈服准则用圆形屈服曲线(圆柱)代替了法国工程学家Tresca于1864年提出的“按最大切应力状态(第三强度理论)发生屈服”的Tresca屈服准则的正六边形(正六棱柱)，且更能符合金属材 料的实验结果。应变为三个分量，分别为位移(材料某一点发生的绝对变形量，单位mm)对坐标的偏导数，指材料某一点相对于原位置的变形变化率，单位mm/mm。根据分析，加工槽时，材料的不可恢复变形集中于槽附近。 

3.铝合金加工时发热量大。刀尖和工件产生的热量不能及时被铁屑带走，在衬套薄壁零件表面产生极大的切削热，使工件发生高温变形，冷却后导致尺寸超差。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术状态衬套薄壁零件加工变形大，变形极难控制的问题，提供一种在进行硬质阳极化前，有效地控制铝合金薄壁类零件加工变形,使其变形在可控制范围内，具有质量稳定可靠的变形控制方法。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种衬套薄壁零件加工变形的控制方法，其特征在于包括如下步骤： 

1)采用UGNX有限元分析模型文件和NX仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析和加工切削的应力应变状态趋势进行分析，将衬套体分割成若干单一的拉伸几何体，对这些几何体使用二阶20节点六面体单元进行网格划分，然后根据车削加工负载对应的切削力，施加载荷于衬套薄壁零件切断位置处，进行全局敏感度分析，得到精加工切断各个时间步的应力曲线分布，找到具体变形区域及变形量； 

2)分析结果值按从最小值到最大值排列，选取变形最小的方案，将有限元分析及消除加工应力试验纳入工艺规程，确定工艺路线，制定工艺加工方案：针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，先在衬套薄壁零件内孔中铣出贯穿槽和不通槽，车削内圆槽，进行半精加工后再精加工出衬套薄壁零件的外圆； 

3)进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，将外圆、内孔圆度控制在0.02mm内。数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长； 

4)在数控机床上采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，在轴向施加夹持力，夹具阶梯芯轴与工件内孔配合，工件一端与阶梯芯轴的非配合外圆的端面无缝接触；实心夹持部分长度为衬套薄壁零件长度尺寸1.5倍，直径尺寸在衬套薄壁零件尺寸60％-80％以上，软爪夹持夹具压力0.5MPa以内，使衬套薄壁零件在径向不受力，数控车实心夹持部分。 

本发明较现有技术有以下几个突出有益效果： 

1、本发明采用有限元分析工具，科学分析铝合金薄壁类零件产生加工变形的原因，探究出科学的去应力方案，从根本上制定完善的防止措施；通过采取合理的切削参数及加工刀具夹具等综合措施和试验出合理的稳定化热处理方案。从减小应力和消除应力两个方面制定了科学的措施，解决了铝合金薄壁类零件加工应力问题。 

2、本发明UGNX有限元分析模型文件和NX高级仿真模块NX.NASTRAN进行应力有限元分析，对加工切削的应力应变状态趋势进行分析，采用分块二阶20节点六面体单元进行网格划分，然后根据车削加工负载对应的切削力，施加载荷于衬套薄壁零件切断位置处，进行全局敏感度分析，得到精加工切断各个时间步的应力曲线分布，找到具体变形区域及变形量。在衬套薄壁零件毛坯及夹持方法上采取针对性措施，增加数控车实心夹持部分，实心夹持部分长度为衬套薄壁零件长度尺寸1.5倍，直径尺寸应在衬套薄壁零件尺寸60％-80％以上，及软爪夹持夹具，压力0.5MPa以内，衬套薄壁零件不直接与机床卡爪接触，衬套薄壁零件通过夹具装夹，在轴向施加夹持力，使衬套薄壁零件在径向不受力，加工前衬套薄壁零件不产生变形。 

3、本发明采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，在原理上保证加工位置误差及尺寸精度误差。夹具原理图如图5所示，在数控机床上采用夹具装夹，采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，消除夹持应力，减小径向切削力，刀具沿轴向进刀，衬套薄壁零件只受轴向力，最大限度的控制径向力，使其衬套薄壁零件的变形在可控制范围内。确保轴承衬套的内孔与外圆同轴度达到0.01，壁厚差不大于0.01,同时确保衬套薄壁零件在研磨微量精加工时达到内孔与外圆同轴度要求0.01。数控加工，能加工复杂形状的部件，避免了在传统普通加工中采用成形刀造成了工件应力集中，利用数控加工原理，最大限度的降低在切削过程中因切削力引起的振动，从而保证了衬套薄壁零件的尺寸精度及表面粗糙度配合，夹具阶梯芯轴与工件内孔配合，工件一端与阶梯芯轴的非配合外圆的端面无缝接触。 

本发明设计科学的夹持夹具，从原理上保证了衬套薄壁零件最终尺寸精度及位置精度。到通过应用本发明技术方案，有效的将铝合金薄壁类零件的变形量控制在0.01mm以内，加工后尺寸精度控制在0.01mm以内，形状公差控制在0.01mm以内，较现有技术有突破性进展。有效解决了该类衬套薄壁零件加工难题，将合格率提高到90％以上，大幅节约了成本。本发明与现有加工技术相比较，有效的解决了加工中的应力释放、控制了加工变形。使加工的衬套薄壁零件满足了设计使用要求，衬套薄壁零件加工合格率达到90％以上。 

附图说明

图1是衬套薄壁零件主视图。 

图2是图1的B-B阶梯剖视图。 

图3是衬套薄壁零件的粗加工状态示意图。 

图4是图1半精加工状态示意图。 

图5是精加工工序装夹示意图。 

图中：1内六角螺栓，2夹具心轴件，3锥形压板，4衬套薄壁零件。 

具体实施方式

参阅图1-图4。图1所示衬套薄壁零，是典型的铝合金薄壁类零件，其材料为2A12-T4,结构复杂且不规整，由于薄壁件直径大于Ф80mm，壁厚仅1.5-3mm，有些甚至只有1mm以下，内孔为中空形式，在车刀径向切削力的作用下，工件产生共振和谐振，严重影响铝合金衬套薄壁零件的设计尺寸和光洁度等要素。在切削时，类似断续加工，切削冲击力较大，导致严重的应力变形。 

根据本发明，首先采用包含解算文件的UGNX有限元分析模型文件和NX高级仿真模块 

NX.NASTRAN进行应力有限元分析，对加工切削的应力应变状态趋势进行分析，分析结果值按从最小值到最大值排列找出衬套薄壁零件应力变形的位置及变形原因，选取变形最小的方案，将衬套体分割成若干单一的拉伸几何体，对这些几何体使用二阶20节点六面体单元进行网格划分，然后根据车削加工负载对应的切削力，施加载荷于衬套薄壁零件切断位置处。进行全局敏感度分析，得到切断瞬时位移分布；针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，进行半精加工后增加热处理去应力，稳定材料组织，消除加工中产生的加工应力变形，再进行内孔外圆精加工；将有限元分析及消除加工应力试验纳入工艺规程，确定工艺路线，制定工艺加工方案：针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，先在衬套薄壁零件内孔中铣出贯穿槽和不通槽，车削内圆槽，进行半精加工再精加工出衬套薄壁零件的外圆，并在半精加工后增加应力消除措施。在图4所示半精加工状态，热处理去应力前后，外形铣到位，内孔和外圆份两次半精加工。 

车削去除外圆及加长部分；车铣中心半精加工外圆、内孔留0.7mm余量，加工内槽成型；热处理消除应力；数控车加工内孔、外圆，留精加工0.3～0.4mm余量壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长；数控车夹具装夹衬套薄壁零件，精加工内孔、外圆，保证壁 厚差≤0.01。由于选用的原材料已达到T4状态，并满足衬套薄壁零件力学性能要求，并且采用T4状态铝合金加工的制件严禁重复固溶处理和退火，因此，选用低于原材料时效温度的热处理制度，可保证不改变衬套薄壁零件组织及力学性能的情况下，消除应力。如针对轴承衬套结构及加工过程中产生变形难点，衬套薄壁零件进行半精加工后增加热处理去应力，消除半精加工中产生的加工应力变形，再进行精加工，通过试验，可将外圆、内孔圆度控制在0.02内。数控车削精加工内孔、外圆，壁厚差≤0.01；切断夹持部分，加工端面，保证总长。 

控制热变形措施：a、将产生热变形大的粗加工工序放在去应力前，控制衬套薄壁零件精加工余量，减少切削热。b、改变切削热传导条件，采用冷却效果较好的水溶性冷却液，加快切削热传递，降低热变形影响。 

刀具材料及加工参数选择：刀具材料应选高速钢类，以便将刃口磨削锋利，刀尖R0.1mm～0.2mm。减小切削力，参数设置为，精加工转速(n＝3000r/min)，切削深度(粗ap＝0.5mm～1mm，半精加工余量0.2mm～0.3mm大于衬套薄壁零件变形量；半精加工切削深度0.1mm～0.2mm,精加工余量0.05mm)。具体加工方案及措施如下： 

a.车工：粗加工内孔、外圆，留余量3mm～5mm。 

将本发明方案应用到典型衬套薄壁零件轴承衬套加工，其具体实施方案如下： 

b.车铣中心半精加工，外圆内、孔mm留0.5余量。用圆柱铣刀、T型铣刀精铣槽。夹持部分保留。 

c.热处理消除加工应力 

由于T4状态铝合金不允许进行重复固溶和退火处理，故该材料状态的铝合金消除应力处理必须确保热处理温度不受影响原材料的力学性能。因此，选用稳定化处理进行2A12-T4铝合金的消除应力处理，热处理制度见表1；同时，对比检查原材料与经稳定化处理材料的力学性能及硬度见表2。 

表1 2A12-T4稳定化热处理制度 

工序名称 加热温度/℃ 保温时间/h 冷却方式 第一次稳定化时效 90～110 8～10 空冷 冷处理 -50 1～2h 空气中恢复至室温 第二次稳定化时效 90～110 1～2 空冷至室温

表2 力学性能试样结果 

通过检查发现，2A12-T4铝合金经过稳定化处理的材料力学性能与原T4状态材料的力学性能无明显变化，抗拉强度和延伸率均符合材料标准要求。 

d.数控车：内孔、外圆留、端面0.2mm-0.3mm余量,其余加工达零件要求。 

e.车工：切断，保证总长。按工步一切断，端面六0.2～0.3mm余量；按工步二将衬套薄壁零件装在夹具中，加工端面，保证总长。 

f.数控车：精加工内孔、外圆。保证内孔与外圆的同心度0.01mm,圆柱度0.015mm，壁厚差不大于0.01mm。 

参阅图5。采用夹具装夹夹持衬套薄壁零件，数控车夹持夹具心轴实心部分，刀具沿轴向进刀，减小径向切削力。夹具心轴件2将衬套薄壁零件4通过锥形压板3均匀分布压紧力，保证装夹可靠及防止零件变形。衬套薄壁零件4通过夹具装夹、定位在机床上。卡爪夹持夹具心轴件2，将衬套薄壁零件4放置在心轴件2端面，通过内六角螺钉件1和锥形压板件3压紧衬套薄壁零件件4底部端面。内六角螺栓1将夹具心轴件2压紧在衬套薄壁零件4端面，此时衬套薄壁零件径向不受夹持力。精加工外圆、内孔及端面，保证内孔与外圆的同心度在0.01mm，壁厚差不大于0.01mm。 

刀具材料及加工参数选择： 

刀具材料选用高速钢类:根据材料选择刀具材料为鈷高速钢。 

加工参数设置为：精加工转速(n＝3000～3500r/min)，切削深度ap＝0.05mm。进给速度F＝0.03～0.05mm/r。 

刀具参数：外圆精车刀：主偏角Kr＝90°～93°、前角Kr’＝15°、后角a0＝14°～16°、副偏角a01＝15°，刀尖R0.1mm～0.2mm。减小切削力。刀尖夹角γ0适当增大，刀尖R0.1mm～ 0.2mm； 

内孔精车刀Kr＝90～93°、Kr’＝15°、a0＝14～16°、a01＝6～8°，γ0适当增大，精加工车刀参数、n＝3000～3500r/min、F＝0.03～0.05mm/r、ap＝0.05mm。 

g.表面处理：硬质阳极氧化厚度0.05mm～0.06mm； 

h.研磨精加工内孔，研磨外圆内孔与外圆的同心度在0.01mm，壁厚差不大于0.01mm。此时研磨工序不改变形位公差。