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user: 3. 加工变形控制 薄壁件加工变形控制可在不同的加工阶段进行：切削加工前、加工中和加工后。加工前的控制方法主要是消除毛坯的内应力，加工中要注重机床、刀具和装夹的合理选择和使用，确定合理的加工方法、工艺方案和加工参数，力争减少加工中产生的局部变形，加工后主要采用合理的校正措施，减少整体变形。 3.1. 加工前变形控制 (一) 深冷处理 毛坯残余应力消除的方法主要有时效退火、预拉伸、深冷处理和振动时效。图2为深冷温度变化图。 图2. 深冷处理温度变化图 首先加热工件到一定温度，然后利用液态氟冷却剂，采用气化潜热快速冷却，并保持一段时间，这种急热急冷的过程会使工件局部微观塑性变形，松弛残余应力。急热急冷的温差越大，产生的微观应力越大，消除残余应力的效果越好。深冷处理降低了材料内部残余应力，使材料组织均匀，工件尺寸稳定，不仅减小了变形，同时显著提高了材料的力学性能及使用寿命 [ 6 ] 。 (二) 振动时效 振动时效是利用共振设备，对工件施加循环的动应力，动应力与毛坯残余应力二者叠加大于材料的屈服极限，均化了残余应力，使其处于稳定状态，并逐渐消除，这是一种非热的残余应力消除方法，其核心是使动应力在结构上形成完整、均匀的分布。已有的研究表明，振动时效后材料的断裂韧性、松驰性能和抗拉性能明显提高，抗塑性变形能力得到增强。要获得有效的振动效果必须通过仿真和试验的方法，获得激振点、激振力、支撑点、激振时间、激振振型和激振频率等参数，实现特定位置动应力与残余应力的有效叠加。 深冷处理和振动时效不受零件大小、形状的限制，易于实施，但工艺过程和参数对效果影响很大，英美等积累了丰富的实验数据，应用较为成功 [ 7 ] 。 3.2. 加工中变形控制 (一) 高速铣削 上世纪30年代提出了高速切削加工(High Speed Machining)理念，目前已广泛应用于航空航天制造领域，特别是德、美、日等工业发达国家，理论和实践积累很多、成果显著，取得了重大经济和社会效益。与常规切削加工相比，高速切削加工效率高，切削力随切削速度的提高反而下降；切屑排出速度高，约有95%切削热被带走，较低的工件温升可显著降低加工过程中残余应力和热变形；可在较大范围内选择转速，避免共振，切削平稳，降低加工表面粗糙度；高速切削时，一般刀具悬伸短，刚性好，切削轻快，让刀小。合理选择高速加工切削参数是减少加工变形的关键，一般应采用小轴向切深、大径向切深(大于刀具半径)、在切削力下降区域内选择高的切削速度和适中的进给。目前高速/超高速切削已成为加工薄壁类零件最常用的加工方法，追求超高速也是未来的发展趋势 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 。 (二) 装夹控制 研究表明，20~60%的加工误差来自装夹。路冬、史玉祥等对装夹顺序和装夹部位对加工变形的影响进行了定量分析，夹紧位置应选择刚性较好的基准面，夹紧体间距较大有利于降低加工变形；在刚性较大的面上先施加夹紧力，卸载时先卸载刚性较好面，然后再卸载远离第一个被卸载的夹紧体 [ 1 ] 。大型不规则曲面薄壁件还可以采用多点柔性工装，如图3所示，于金等对平面薄板和曲面薄壁件进行了研究，总结了多点柔性支撑的加工变形规律，陆俊百等将自适应和遗传算法相结合，优化了装夹布局，研究结果对多点柔性工装的有效使用都有一定的指导意义 [ 11 ] [ 12 ] 。 图3. 多点柔性工装系统示意图 对于形状特殊、装夹困难或刚度很差的零件，如叶片、薄板等，还可采用变相材料和低熔点合金。图4为变相材料夹具示意图，相变材料(PCM—Phase Change Material)是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质，夹紧体的布局可依据工件外形，实现多方向的法向夹紧，无需依靠摩擦力固定，所需正压力更小，夹紧体可以自由布置，为工件夹紧布局优化提供了条件。 图4. 变相材料夹具示意图 采用低熔点的合金，就是将溶化的合金加注到工件空腔，使工件成为实心，不仅可以提供装夹定位基准，而且提高了刚性。日本学者HarukiObara等人将此方法用于薄板加工，精铣加工壁厚达到了0.05 mm，满足加工精度要求 [ 13 ] 。 (三) 射流辅助支撑加工技术 射流辅助支撑的介质是冷却液，喷射在被加工表面的对面，射流产生的力与切削力相反，随动柔性辅助支撑工件，图5为射流辅助支撑装置示意图，江南大学吕彦明教授等在此领域开展了多方面的研究，并用于薄壁件的铣削加工，与机械支撑相比，射流支撑具有以下优点：(1) 射流冲击力可抵消切削力，刚度的提高减小了让刀量；(2) 抑制了加工系统振动，切削更平稳；(3) 喷头到喷射面的距离对支撑效果影响不大，对安装要求不高；(4) 射流冲击类似喷丸作用，可消除工件应力；(5) 作为冲击射流的切削液还可以起到冷却、润滑和清洗的作用 [ 14 ] 。 图5. 射流辅助支撑装置示意图 (四) 让刀补偿 切削加工中，刀具与工件相互作用，刀具偏摆和工件变形回弹会产生让刀现象，造成薄壁件侧壁上厚下薄、残留余量。让刀变形可采用补偿的方法来解决，在数控编程时在刀具原有走刀轨迹上依据让刀量附加一个偏移量，确定最优走刀路线，以补偿让刀引起的加工误差 [ 15 ] 。变形补偿的关键是让刀量的准确预测，通过实际的切削加工实验来测量让刀量是一种可靠的方法，方法之二可通过有限元模拟仿真，预测变形量的大小 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] ，Li， O.等对薄壁件五轴铣削时变形量的预测进行了研究，取得了很好效果 [ 19 ] 。 (五) 加工参数优化 [ 20 ] 切削力大小与加工参数有关，合理的切削参数可保证薄壁件变形小、加工效率高。王志鑫以铝合金和钛合金为对象，实验建立了切削力与加工参数关系模型，将切削力作为约束条件，最大生产率和最低成本为目标，采用理想点法进行了双目标优化，提出了合理的切削参数范围，减少了腹板加工变形。董辉跃等人以薄壁板为研究对象，铣削过程中考虑了热力耦合，采用有限元法分析了让刀误差，以铣削参数为设计变量，让刀量为目标，进行了优化。武凯等人研究了加工参数对切削力和加工变形的影响，分析了变化规律，并对参数进行了优化，通过理论与实验的结合，获得高速加工薄壁件时切削参数的选择基本原则。 (六) 工艺方案优化 [ 21 ] [ 22 ] 工艺方案优化就是分析研究原有工艺流程，并对其改进或重组，以达到提高生产效率、降低成本、减小加工变形的目的。要减小薄壁件的加工变形，从工艺角度出发，主要是正确选择加工方法、合理安排加工工序、分配加工余量、加工路径等。大型薄壁件毛坯机械加工前应尽量安排去残余应力工序，为后续加工提供很好的基础；应采取分步骤加工的工序流程，合理选择粗细精加工余量；粗加工之后，在没有失温的时间内要进行残余应力去除工作；加工中的切削热，会引起内力不平衡，加工完毕后，可安排退火处理；对于双面零件，可从两面均匀加工，并安排适当的时效工序；工件较薄时可采用特殊夹具，如低熔点合金或辅助支撑，减少装夹次数，尽可能保证切削过程的连续性。 薄壁件的加工工艺涉及国防关键技术，西方国家非常重视、投入巨大，已体现出很高的水平，然而都对其研究成果秘而不宣，进行技术封锁，很难见到较完整的资料报告，因此开展薄壁件加工工艺方面研究，得到合理工艺方案和准确参数是控制加工变形的关键。 3.3. 加工后变形控制 目前，大型薄壁件加工变形的机理尚未完全知晓，加之其结构及制造工艺的复杂性，加工过程中的变形控制常常不能满足工件精度要求，事后校形仍是解决加工变形的重要途径 [ 23 ] 。法国巴黎航空工业学院与国家宇航局联合建立了专门的强度实验室，针对大型薄壁件加工变形安全校正进行了深入研究。我国部分高校也进行了一系列的研究，孙杰等研究了加工变形产生机理和结构件变形特点，总结了变形规律，通过反求和CAD软件获得弯曲变形的特征线和变形值，以此确定校正时的支撑点和校正程度。王中秋等研究了隔框类整体结构件，在变形较小时，可以在侧壁采用滚压局部应力调整的方法，校正取得了较好效果。安全校正需要机理研究和理论的支持，但国内一些工厂还停留在凭借操作者的经验，借助压弯、扭转等设备，带有很大的随机性和盲目性。