CN114161079A - 均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法 - Google Patents

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黄小庆
向彪
崔明亮
尹帮海
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Abstract

本发明提供了一种均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，将铝合金模锻件分为尽可能对称的第一工位和第二工位；粗加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除粗加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3；精加工去除第一工位和第二工位的精加工余量。通过交替切削第一工位和第二工位，可以使第一工位和第二工位的残余应力交替、分散、均匀地释放。每次切削的切削量较小，避免一次性将铝合金模锻件表面应力分布层去除而导致锻件内外应力快速失衡，使得表面应力多次逐渐释放，增加残余应力二次分布的平衡次数，降低应力失衡的风险。

Description

均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法
技术领域
本发明涉及铝合金模锻件加工技术领域，尤其是一种均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法。
背景技术
铝合金由于其比强度高、韧性好，以及良好的疲劳性能和抗应力腐蚀性能，广泛应用于第四代、第五代航空武器装备。
长期以来，铝合金关键零部件主要依赖国外进口。与进口的铝合金预拉伸板料不同，铝合金模锻件由于其特殊的成型过程及复杂的截面过渡尺寸，经固溶工序后会在锻件内部及表面形成“表压内拉”的残留内应力(残余应力)，即表面压应力、芯部拉应力。这些残留内应力经冷压缩、低温时效等工序后，将以平衡的状态分布在锻件芯部及表面。数控加工过程中的切削应力的介入，将会打破锻件原有的应力平衡状态，使残余应力剧烈应力释放并进行二次分布，从而造成零件不可逆的形变，无法满足零件设计、装配需求。如何解决铝合金模锻件内部残余应力释放及二次分布对零件加工变形所产生的影响，是目前铝合金模锻件加工领域公认的技术难点。
现阶段，国内铝合金模锻件数控加工技术主要依托于铝合金预拉伸板料的加工经验，当采用常规数控加工方案将单一侧面余料加工去除后，残留的拉应力与压应力将会自然二次分布，且呈现拉、压应力值不对等的不平衡状态，导致产品变形。在加工过程中时常发生过切、倒筋、翘曲等结构形变问题，严重影响零件装配使用。
为了减小变形，目前常见的方式为双面加工法，即交替加工零件两面，如CN109648369A公开了一种双面加工变形控制方法，通过装夹装备使零件双面均处于可加工状态，同时根据零件在毛坯中的可调整范围将毛坯划分为可调整区域和不可调整区域，在不可调整区域通过调整层间加工顺序、在可调整区域通过调整零件在毛坯中的位置控制零件变形，在精加工阶段考虑零件双面所有特征，优化双面精加工顺序。但现有的双面加工法并非针对铝合金材质，也不能确定具体的加工参数。
基于此，本专利提出一种在数控加工中均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削技术，旨在有效控制铝合金模锻件加工变形问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，均匀释放铝合金模锻件残余应力，有效控制加工变形风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，
将铝合金模锻件分为第一工位和第二工位，第一工位和第二工位尽可能对称；
粗加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除粗加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3；
精加工去除第一工位和第二工位的精加工余量。
进一步地，粗加工中，选择大进给速度，每次切削的切削深度为1至2.5mm，
精加工中，选择大进给速度，切削深度为0.5至1mm。
进一步地，粗加工中，每齿进给量n小于或等于0.2，根据每齿进给量n的计算公式
Figure BDA0003398858030000021
确定进给速度，使进给速度尽可能大；
式中，F为进给速度，S为主轴转速，K为刀具的刃数。
进一步地，精加工中，每齿进给量n小于或等于0.1，根据每齿进给量n的计算公式
Figure BDA0003398858030000022
确定进给速度，使进给速度尽可能大；
式中，F为进给速度，S为主轴转速，K为刀具的刃数。
进一步地，粗加工和精加工中，刀具的刃数小于或等于3。
进一步地，粗加工后进行半精加工，交替对第一工位和第二工位进行多次切削去除半精加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。
进一步地，精加工中，通过多次切削去除各个工位的精加工余量。
进一步地，粗加工中，每次切削的切削深度相同；
精加工中，每次切削的切削深度相同。
进一步地，精加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除精加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。
进一步地，将第一工位加工至设计尺寸后，松开工件并重新装夹，再通过最后一次切削将第二工位加工至设计尺寸。
本发明的有益效果是：通过交替切削第一工位和第二工位，可以使第一工位和第二工位的残余应力交替、分散、均匀地释放。第一工位和第二工位尽可能对称，即应力尽可能对称地释放，也有利于应力保持平衡，防止铝合金模锻件。每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3，避免一次性将铝合金模锻件表面应力分布层去除而导致锻件内外应力快速失衡，使得表面应力多次逐渐释放，增加残余应力二次分布的平衡次数，降低应力失衡的风险。因此，本发明可避免局部位置应力快速释放，实现均匀释放铝合金模锻件残余应力的目的，可有效控制加工变形风险。
附图说明
图1是实施例一的铝合金模锻件示意图；
图2是筋顶粗加工示意图；
图3是筋条侧面粗加工示意图；
图4是腹板粗加工示意图；
图5是筋条半精加工示意图；
图6是腹板半精加工示意图；
图7是精加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，将铝合金模锻件分为第一工位和第二工位，第一工位和第二工位尽可能对称。根据铝合金模锻件的具体形状划分第一工位和第二工位，可以引入剖面，剖面分隔第一工位和第二工位，第一工位和第二工位尽量相对于剖面对称，如某铝合金模锻件为板件，厚度方向为竖直方向，剖面为一水平面，该剖面到板件上下表面的距离相等，或者剖面为垂直于板件长度方向的竖直面，该竖直面到板件两端的距离相等。
粗加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除粗加工余量，每次切削的切削深度相同；每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。
交替切削是指先对第一工位进行第一次切削，接着对第二工位进行第一次切削，然后对第一工位进行第二次切削，再对第二工位进行第二次切削，如此循环，直到将粗加工余量全部去除。切削时，切削处受到切削应力的影响，破坏了铝合金模锻件残余应力的平衡，导致残余应力释放并进行二次分布，通过交替对第一工位和第二工位进行切削，使得第一工位和第二工位的残余应力释放和二次分布交替进行，残余应力的释放更加均匀，保证了铝合金模锻件整体残余应力的平衡，避免了铝合金模锻件在局部集中释放残余应力和二次分布而导致铝合金模锻件快速变形。
每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3，切除量是指切除的材料重量，总加工余量是指机加工切除的材料总重量。如第一工位的总加工余量为6kg，那么每次切削对第一工位的切除量应当不大于2kg。每次切削的切除量可以通过切削深度进行控制。每次切削的切除量控制在较小的范围，使得每次释放的残余应力较小，不影响铝合金模锻件的形状。通过多次切削逐渐、缓慢地释放残余应力，避免局部的残余应力快速释放和二次分布，有利于使局部残余应力保持平衡，降低铝合金模锻件变形的风险。
当铝合金模锻件的结构较为复杂时，为了进一步地分散残余应力的释放，可以根据铝合金模锻件的结构形状特征将第一工位和第二工位的待加工面分别分为多个区域，加工时，先交替切削第一工位的第一个区域和第二工位的第一个区域，第一个区域的粗加工余量全部去除后，再交替切削第一工位的第二个区域和第二工位的第二个区域，将第二个区域的粗加工余量全部去除，直到将所有区域的粗加工余量全部去除。假设第一工位某个区域的加工余量占第一工位总加工余量的1/m，那么每次对该区域进行切削的切除量小于或等于1/3m。
粗加工完成后，通过精加工去除第一工位和第二工位的精加工余量。
机加工刀具的刃口越锋利越好，以整体硬质合金刀具为最优。锋利的刀刃在切削过程中配合高机床转速，能有效降低刀具切削应力，减少零件加工过程中的应力变形。铝合金类零件在加工切削过程中极易产生积削瘤，积削瘤一旦产生轻则崩损刀刃，重则崩撞零件。刀具刃数的越低，越利于铝削的排出，降低积削瘤的产生几率。因此刀具刃数以2刃刀具为最优，最高不能超过3刃，一般当机床转速偏低时，为降低每齿进给量，可选用3刃刀具。
切削深度应当尽量小，可减小每次切削的切除量，使应力释放更加缓慢，具体地，粗加工中，选择大进给速度，每次切削的切削深度为1至2.5mm，精加工中，选择大进给速度，切削深度为0.5至1mm。加工时需要对铝合金模锻件进行装夹，装夹设备必然会对铝合金模锻件施加一定的压力，可能产生装夹应力。因此，本发明选择大进给速度，可以提高加工效率，同时减小每次切削的装夹持续时间，避免产生较大的装夹应力而导致铝合金模锻件的残余应力失衡。
铝合金材质对热量的敏感程度大于一般的金属材料，故此降低铝合金类零件加工过程中的切削热量也是均匀残余应力释放的重要手段之一。零件加工过程中的热量90％是由刀具对零件切削、摩擦产生的，除了冷却液的使用外，合理的选用切削参数，控制并降低刀具每齿进给量亦可以达到大幅降低刀具切削热量的目的，具体地，粗加工中，每齿进给量n小于或等于0.2，根据每齿进给量n的计算公式
Figure BDA0003398858030000051
确定进给速度，使进给速度尽可能大；式中，F为进给速度，S为主轴转速，K为刀具的刃数。刀具的刃数和主轴转速额定的前提下，根据n的范围可以确定进给速度的范围，选择合适的进给速度，确保加工效率、降低每次装夹的持续时间的同时降低切削热量。
同时，精加工中，每齿进给量n小于或等于0.1，根据每齿进给量n的计算公式
Figure BDA0003398858030000052
确定进给速度，使进给速度尽可能大；
式中，F为进给速度，S为主轴转速，K为刀具的刃数。
当精加工余量较小时，可以一次性将精加工去除，当精加工余量较大时，如精加工余量大于1.2mm，通过多次切削去除各个工位的精加工余量，减小每次切削的残余应力释放量，每次切削的切削深度相同。具体地，精加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除精加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。此外，将第一工位加工至设计尺寸后，松开工件并重新装夹，再通过最后一次切削将第二工位加工至设计尺寸。将第一工位加工至设计尺寸后，第一工位的残余应力处于平衡状态，但此时存在装夹应力，即第一工位的残余应力是在有装夹应力的情况下处于平衡状态，为了使第一工位的残余应力在自然状态下处于平衡状态，将第一工位加工至设计尺寸后松开工件，释放装夹应力，第一工位的残余应力进行二次分布至平衡状态，再重新装夹，完成第二工位的精加工，然后取下工件，装夹力消失，第二工位的残余应力进行二次分布至平衡状态。
当总的加工余量较大时，可以在粗加工后进行半精加工，具体地，交替对第一工位和第二工位进行多次切削去除半精加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。
实施例一
用于航空设备的典型铝合金模锻件典型结构为筋条+腹板的框梁，如图1所示，包括中间的腹板和腹板两侧的筋条，机加工余量10mm，根据本发明的加工方法，将该铝合金模锻件分为工位1和工位2，工位1和工位2相对于腹板的中线对称，由于加工余量较大，采用粗加工-半精加工-精加工的工艺流程，具体为
1、粗加工
加工量4mm，余量6mm，切削参数见下表
切深 切削速度 转速 每齿进给量 刀具 刃数
2mm 4000m/min 10000r/min 0.2m/r D30R3铝合金铣刀 2
1.1、无应力装夹修工艺基准，上工装
1.2、筋顶加工，如图2所示：加工工位1的筋顶，切削深度2mm，接着加工工位2的筋顶，切削深度2mm，再次加工工位1的筋顶，切削深度2mm，最后加工工位2的筋顶，切削深度2mm。
1.3、筋条侧面加工，如图3所示：加工工位1的筋条侧面，切削深度2mm，接着加工工位2的筋条侧面，切削深度2mm，再次加工工位1的筋条侧面，切削深度2mm，最后加工工位2的筋条侧面，切削深度2mm。
1.4、腹板加工，如图4所示：加工工位1的腹板，切削深度2mm，接着加工工位2的腹板，切削深度2mm，再次加工工位1的腹板，切削深度2mm，最后加工工位2的腹板，切削深度2mm。
2、半精加工
加工量3mm，余量3mm，切削参数见下表
切深 切削速度 转速 每齿进给量 刀具 刃数
1mm 3600m/min 12000r/min 0.15m/r D30R3铝合金铣刀 2
2.1、无应力装夹修工艺基准
2.2、筋条加工，如图5所示：加工工位1的筋条，切削深度1mm，接着加工工位2的筋条，切削深度1mm，重复上述过程3次。
2.3、腹板加工，如图6所示：加工工位1的腹板，切削深度1mm，接着加工工位2的腹板，切削深度1mm，重复上述过程3次。
3、精加工，如图7所示
加工量3mm，切削参数见下表
切深 切削速度 转速 每齿进给量 刀具 刃数
1mm 3600m/min 18000r/min 0.1m/r D20R3铝合金铣刀 2
3.1、无应力装夹修工艺基准
3.2、加工工位1的筋条和腹板，切削深度1mm，接着加工工位2的筋条和腹板，切削深度1mm，重复上述过程1次；
3.3、再次加工工位1的筋条和腹板，切削深度1mm，松开装夹螺钉，释放装夹应力；
3.4、再次把合螺钉，加工工位2的筋条和腹板，切削深度1mm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，
将铝合金模锻件分为第一工位和第二工位，第一工位和第二工位尽可能对称；
粗加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除粗加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3；
精加工去除第一工位和第二工位的精加工余量。
2.如权利要求1所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，粗加工中，选择大进给速度，每次切削的切削深度为1至2.5mm，
精加工中，选择大进给速度，切削深度为0.5至1mm。
3.如权利要求2所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，粗加工中，每齿进给量n小于或等于0.2，根据每齿进给量n的计算公式
Figure FDA0003398858020000011
确定进给速度，使进给速度尽可能大；
式中，F为进给速度，S为主轴转速，K为刀具的刃数。
4.如权利要求2所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，精加工中，每齿进给量n小于或等于0.1，根据每齿进给量n的计算公式
Figure FDA0003398858020000012
确定进给速度，使进给速度尽可能大；
式中，F为进给速度，S为主轴转速，K为刀具的刃数。
5.如权利要求1、2、3或4所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，粗加工和精加工中，刀具的刃数小于或等于3。
6.如权利要求1、2、3或4所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，粗加工后进行半精加工，交替对第一工位和第二工位进行多次切削去除半精加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。
7.如权利要求1所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，精加工中，通过多次切削去除各个工位的精加工余量。
8.如权利要求7所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，粗加工中，每次切削的切削深度相同；
精加工中，每次切削的切削深度相同。
9.如权利要求7所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，精加工中，交替对第一工位和第二工位进行多次切削，去除精加工余量，每次切削对第一工位的切除量小于或等于第一工位总加工余量的1/3，每次切削对第二工位的切除量小于或等于第二工位总加工余量的1/3。
10.如权利要求7所述的均匀释放铝合金模锻件残余应力的柔性切削加工方法，其特征在于，将第一工位加工至设计尺寸后，松开工件并重新装夹，再通过最后一次切削将第二工位加工至设计尺寸。
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