Analysis of Box CNC Milling Distortion and Control Strategies
Xu Yan
（Baoji Technician Institute，Baoji 721000，China）
摘要：本文对箱体类零件的结构特点进行了简要分析，阐述了箱体类零件加工的重要性，对箱体类零件加工变形的原因进行分析总结，并提出了控制箱体类零件加工变形的对策，对生产实际有较强的指导作用。
Abstract: The article makes a brief analysis of the structural characteristics of the box-type parts, expounds the importance of box-type parts machining, analyzes the reasons for machining deformation of box parts, and proposes strategies of controlling the deformation of box parts processing deformation, which has a strong guiding role for the actual production.
关键词：箱体 加工变形 原因 对策
Key words: box；processing deformation；reasons；measures
中图分类号：TG54 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）21-0047-01
1箱体的结构特点分析
箱体类零件在机电产品生产中广泛存在,由于其刚性差、精度高，其中多数为产品的关键零件，因此在加工中难度较大，尤其是薄壁结构件受力形式复杂，受力分析难以按照经典理论进行，且制造过程中极易发生变形、失稳和振动等问题，非常不利于制造加工，是国际上公认的复杂制造工艺问题。箱体种类繁多，广泛的应用于汽车、航空、能源、船舶等加工制造业。
薄壁箱体加工变形问题在我国航空制造企业中也普遍存在，由于我国长期忽视或不重视工艺基础理论和加工技术的研究和积累，遇到特大型航空航天薄壁结构零部件的加工制造时，往往不能从制造工艺上首先得到上乘的解决方案，结果轻则导致高精尖设备的低效率使用，重则导致加工报废，整体应用水平很低。由于箱体的结构特征，由切削力及切削应力作用所引起的构件弹性变形是不可避免的，同时这也是导致加工误差的主要因素。除了在设计阶段要对工件的尺寸、形状进行综合考虑，更重要的是对加工过程进行定量的研究分析，合理地进行工艺设计包括正确选择加工工艺参数，设计合理的走刀路径，以保证加工误差满足制造精度的要求。
2产生加工变形的原因分析
经过笔者多年的研究，总结主要有以下几个方面：
2.1 毛坯的初始残余应力残余应力是指在没有任何工作载荷作用的情况下，存在于构件内部且在整个构件内保持平衡的应力。在生产、处理和加工材料的过程中，由于材料的局部区域产生了不均匀的变形或相变，必然导致工件内部残余应力的产生。在加工前应使工件内的残余应力处于自平衡状态，这可通过自然时效处理和人工时效处理来完成。切削加工是被加工材料被逐渐切除的过程，随着切削加工过程的进行，切削层中的残余应力被逐渐释放，工件自身的刚度也发生变化，原始的自平衡条件被破坏，工件只有通过变形达到新的平衡状态。这也是残余应力释放引起工件加工变形的基本原理。
2.2 刀具对工件的作用①切削热。在切削过程中，克服材料的弹性变形、塑性变形和刀具与工件之间的摩擦所做的功，大部分转化为切削热，造成零件各部位温度不均，使零件产生变形。②切削力。刀具的切削分力，使零件表面在弹性恢复后产生不平度；由于薄壁工件结构复杂，加工时不可能采用同一的切削用量，还有不同位置壁厚的不均性，造成了在各个加工位置，工件在切削力作用下的变形量并不一样。在零件表面弹性恢复后，造成了加工壁厚误差。③刀具的材料、磨损、以及变形等。
2.3 工件的装夹条件①因薄壁零件刚性差，加工时装夹引起的弹性变形将影响表面的尺寸精度和形状、位置精度。②因夹紧力与支承力的作用点选择不当，会引起附加应力。
2.4 工件材料的影响与其它金属相比较，铝合金非常容易切削。但是铝合金和其它元素有较高的化学反应性，其硬度较低，塑性大，这三个基本性质给提高切削加工质量带来困难；铝合金切削加工时易产生积屑瘤，严重影响已加工表面粗糙度和尺寸精度；由于刚度较低，切削后的弹性回复也给提高已加工表面的尺寸精度带来困难。
2.5 刀具下刀方式的影响加工薄壁零件时，垂直进刀方式的选择对腹板加工精度的影响以及水平进刀方式的选择对侧壁加工精度的影响是客观存在的。数控机床设计了三种垂直进刀的方式：一是直接垂直向下进刀；二是斜线轨迹进刀方式；三是螺旋式轨迹进刀方式。直接垂直进刀方式只能用于具有垂直吃刀能力的键槽铣刀，而斜线轨迹进刀与螺旋式轨迹进刀方式都是靠铣刀的侧刃逐渐向下铣削而实现向下进刀的，所以后两种进刀方式能用于端部切削能力较弱的立铣刀的向下进给。选择合适的下刀方式对于减小加工变形是有意义的。
除了上述原因外，机床、工装的刚度，加工环境的温度，零件冷却散热情况等等对零件的变形也都有一定的影响。其中：切削力、夹紧力以及毛坯的残余应力是影响加工误差的主要因素，其次是振动，其他因素的影响较小。
3控制薄壁箱体加工变形的对策
对箱体采用特定的加工工艺来减少和避免箱体的变形，主要有以下几个方面：
3.1 使用特殊的机床与刀具进行薄壁零件的加工。很多专家提出了采用刀杆较细的立铣刀进行侧壁加工，避免刀杆损坏己加工的表面。
3.2 在精加工最后一次走刀后，在没有进给量的情况下进行光切，并用手工打磨。该方法虽然能够将大部分的残余材料切除掉，但大大增加了加工工时，降低了生产率。
3.3 加工切削参数优化。在目前的切削加工中，切削参数的选择仍然严重困扰数控零件加工，关于切削参数优化已经提出了多种算法，其中基于生物进化理论的基因算法，可用于多参数，多约束条件和多目标的优化，可进行全局的探索优化，用基因算法优化切削参数的有效性已在多个报告的实例中得到验证。但是，优化切削参数后切削力减小和加工效率减低始终是一个对立的问题而无法兼顾。
3.4 对刀具走刀路径进行修正，达到减小变形的目的。根据加工零件的加工变形情况，在设计刀具走刀路径时考虑工件的变形量，让刀具在原有的轨迹中根据零件变形程度附加一个偏移量，从而对加工走刀路径进行修正，以达到加工精度要求。但是目前的研究都是针对特定结构的零件的特定切削参数加工时进行的走刀路径修正，没有考虑零件的不同结构及不同加工要求。
4结论
通过以上分析，本文对箱体类零件加工变形产生的原因进行了详细完备的分析，同时提出了控制箱体类零件加工变形的对策，对生产实际有较强的指导作用。
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