薄壁零件如何加工？

薄壁零件因其重量轻、结构紧凑而广泛应用于航空航天、国防科技、核电装备、汽车制造等领域，如整体隔框、整体翼肋、整体壁板等。航空发动机涡轮叶片等非通用薄壁零件，其加工多采用铣削工艺。

随着制造技术的不断发展，促进薄壁零件加工效率和加工精度不断提高。由于薄壁零件加工去除率较高，成型时工件的刚度降低，在铣削过程中受铣削力的工件容易产生较大的加工变形，在走刀后变形会发生弹性恢复，而然后出现走刀现象，使实际铣削宽度不等于标称值，导致加工精度降低，甚至加工质量难以保证。

薄壁零件的变形 加工过程 是直接影响工件加工精度、加工质量、生产率的重要因素。

因此，预测和控制薄壁零件加工变形的研究具有重要的现实意义。

薄壁零件通常是指壁厚与轴向或径向尺寸比大于1/10的零件，由于很多薄壁零件属于非标准化零件，在薄壁零件的定义中，其壁厚与长度之比会有所不同，但薄壁零件具有相对质量低、比强度高、结构复杂和刚性弱等特点。

薄壁零件可按形状、材料和结构来划分。按形状可分为圆形、壳形、平板形；按材质可分为铝合金、钛合金、复合材料等；按结构可分为框架类、整墙板类、梁类和曲面类，薄壁件因其结构不同而有不同的特点。

(1)框架类零件。作为航空航天器机身结构的典型部件，是机身横向结构的主要受力部件，也是构成和保证机身径向姿态的主要结构部件。如图1所示，其结构由工件的外框面、内框面以及加固结构腹板组成。简而言之，框架结构由腹板组成，其壁厚范围为1.5～2.0mm。框架件的连接部位一般采用凹槽结合或与平面结合，但同一框架件中腹板的厚度并不相同。

图1 薄壁框架模型

(2)整体类墙板。由加强筋、蒙皮翼片、边条等结构组成，在航空航天承重薄壁零件中应用较多，如机翼、尾翼机身纵向结构等，如图2所示。与传统的铆接或螺栓连接相比，优点是减少了零件数量，减少了装配工序，提高了表面的光滑度和零件的抗疲劳能力；缺点是整体尺寸与截面尺寸之比较大，相对刚性较差，容易发生加工变形。

(3)横梁零件。随着航空航天性能的不断提高，梁类零件不仅要求有较高的强度和刚度而且要降低质量，为满足其性能要求，框架更加复杂，根据截面形状，可分为工字形、U形，甚至更复杂的异形截面等，如图3所示为典型的梁零件。

图2 整体面板图

图3 横梁部分

(4)复杂曲面零件。这类零件具有形状、结构复杂、加工精度要求高的特点，随着航空航天飞行器的不断发展，曲面零件越来越多，最具代表性的如叶轮、叶片等，是航空发动机的重要组成部分，如图4所示。

(5)薄壁轴类零件材质太薄，对温度变化和外界冲击非常敏感。

由于薄壁零件结构和形状的特殊性，决定了其加工特性的独特性，主要有以下三点：

(1) 结构性: 在铣削过程中，随着零件壁厚的不断减薄，相对刚度越来越低，容易产生切削振动和变形，无法保证加工和加工质量的稳定性。

(2) 功能： 薄壁零件的加工不仅要保证较高的加工精度，而且在接头等零件上也要求有很高的装配精度，以保证零件具有合理的装配性能，满足使用要求。

(3) 材料: 薄壁零件多为高强度铝合金、钛合金或高温合金，无论是铝合金等易切削材料，还是钛合金等难切削材料，变形问题都存在更突出。

因此，加工变形的控制就成为关键问题，常规的加工工艺无法保证加工的精度，一般采用手工或机械磨削来达到精度要求。

薄壁零件通常具有结构复杂、体积大等特点，且加工精度要求高，但在制造过程中，由于刚性较低，金属切除率较大，在切削力的作用下，工件产生较大变形，加工后弹性变形恢复，导致部分材料无法去除，需要手工打磨，使加工效率大大降低；

在加工过程中，工件截面尺寸和轮廓尺寸差异较大，刚性越来越低，不仅会发生整体变形的弯曲和扭转，而且容易引起切削振动，从而产生切削振动。加工精度和表面质量下降，严重影响其使用性能，甚至造成零件报废。

因此，要加工出满足薄壁零件要求的零件，就必须准确预测和控制变形量。

薄壁零件尺寸大、结构复杂、刚度低、材料去除率低等，以上特点不利于铣削加工，经过一系列复杂工序后，很难保证不发生变形。

影响薄壁件加工变形的因素有很多，因此，对加工变形因素进行了总结，如图5所示，其中对薄壁件加工变形影响较大的是切削力和切削热、工件材料特性、夹紧条件、残余应力和刀具轨迹5个因素。

(1) 切削力和切削热：在铣削加工过程中，由于薄壁零件刚性较差，铣削力产生的变形由工件的挤压变形、回弹变形和刀具变形2个方面组成，如图6所示，产生在变形的趋势是很难预测的，并且由于切屑的变形，切屑与前刀面和后刀面以及被加工工件表面之间的摩擦力次表面温度分布不均匀 内层金属阻碍了表层体积膨胀倾向，这种阻碍使得零件表层产生热应力，在切削力和切削热的作用下，应力分布工件产生冲击，加剧零件变形，难以保证加工精度。

(2) 工件材料特性：薄壁工件材料一般为铝合金、钛合金或高温合金，由于材料的弹性模量较小，材料的比强度在加工过程中很容易反弹，导致变形的零件。同样的材料，随着零件尺寸的增大，刚性变差，以及其结构的不对称性都会导致零件产生更大的加工变形。

(3) 夹紧条件：夹具是零件与机床连接的桥梁，夹具的作用是对工件进行定位和夹紧，对于薄壁零件，由于其壁薄，在夹紧力的作用下，工件发生相应的变形。弹性变形，影响工件表面形状和尺寸精度。在切削过程中，夹紧力和切削力可能相互作用，使初始残余应力和加工残余应力重新分布，导致薄壁零件变形。

(4) 残余应力：残余应力包括初始残余应力和加工残余应力2类。初始残余应力是指毛坯在制造过程中受到外力或不均匀的温度场的影响，导致材料产生不均匀的弹塑性变形。加工残余应力是在机械加工过程中存在于加工表面的残余应力。由于切削力和切削热的作用，打破了最初的残余应力平衡状态，工件通过变形使内部零件的应力再次达到平衡。

(5) 刀具路径：不同的走刀路径会导致工件中原有的残余应力以不同的顺序释放，从而产生不同的加工变形。随着加工过程的进行，材料逐渐被去除，工件越来越薄，刚度也越来越小，在切削力和切削热的作用下，产生加工残余应力。由于路径不同，原始残余应力与加工残余应力的耦合顺序和作用不同，在这些复杂因素的共同作用下，会导致工件产生不同的变形。

综上可见，在薄壁件铣削过程中，由于薄壁件刚度较低，铣削力容易产生弹性变形而出现走刀现象，产生摩擦力。刀具端面与已加工表面之间的间隙，不仅影响已加工表面的精度和质量，而且会降低刀具的寿命。随着材料的不断去除，工件刚度降低，残余应力的释放和平衡的重新建立，不同的加工条件等因素，都会对工件的最终变形产生很大的影响。因此，分析影响薄壁零件加工变形的因素对于加工变形的预测和控制具有重要意义。

减少和控制薄壁零件加工变形，主要包括加工工艺优化、辅助支撑技术、高速切削技术、数控补偿技术等。

薄壁零件加工过程变形优化的研究主要从装夹布局、刀具路径、切削参数优化等方面进行。

由于薄壁零件本身刚性较低，加工过程中通过夹具的夹紧力会影响工件的形状发生相应的变化。如果夹紧支撑点选择不当，产生附加应力，则薄壁件出现明显变形；

在铣削过程中，铣削力和夹紧力会产生一定的耦合作用，使原来的残余应力和加工后新的残余应力达到平衡后会重新分布，导致薄壁零件变形。夹紧系统对薄壁零件加工精度的影响受到了人们的严重关注。

如何优化夹紧布局？

1.1.1 采用FEM（有限元法）方法建立改进后的整体夹具系统模型，如图11所示，改进后的夹具可以显着减少框架类薄壁零件的变形。

1.1.2 加工过程中动态改变夹紧力，可以适当减小加工变形。

1.1.3 薄壁多框架零件，基于拉格朗日法建立夹具，如图12所示。对减少加工体积形状变形有显着效果。

1.1.4 在工件接触区背面增加支撑夹具元件控制工件变形的方法如图13所示，铣削过程中夹具元件与铣刀以相同的速度移动。

1.1.5采用不同的装夹程序，调整装夹元件的数量和装夹顺序，得到最佳的装夹程序，提高薄壁零件的加工精度。

1.1.6 采用多点灵活工装布置。

在薄壁零件加工过程中，合理的装夹布局在一定程度上改善了加工变形。刚性夹紧主要依靠摩擦力来使工件定位，由于工件和夹紧系统材料是固定的，它们之间的摩擦系数是比较一定的，所以需要足够的摩擦力，就要加大夹紧力，这样就造成工件变形；

1.1.7使用 磁流变流体技术 添加特殊柔性材料。当有磁场时，材料会立即从液体转变为固体以支撑材料。这种方法可用于形状极其复杂、尺寸较小的薄壁零件，但成本较高，需要购买专用设备和材料进行加工。

1.1.8 石膏填充薄壁零件是一种常见的制造工艺。其原理是利用石膏填充薄壁零件的内部间隙，以增加其强度和稳定性。最大的优点就是便宜。缺点是石膏硬化后体积略有膨胀（膨胀率约为1%）。如果需要高精度要求，则此方法不适合。

1.1.9 对于薄壁扁平件，目前生产中常用以下方法：

1.1.10 对于轴类工件，目前生产中常用的方法有：

1.1.11 软爪夹紧

1.1.11 柔性夹具

1.1.13其他专用夹具

与采用柔性夹紧相比，更多地布置支撑点提高了夹紧力的利用率，并且可以降低最大夹紧力，从而减少薄壁零件的变形。

刀具路径是指刀具从刀具运动点开始，到加工程序结束所经过的路径，由切削路径和非切削空程2部分组成。刀具路径的变形对工件是间接影响的，而不是直接相关的，主要包括两个方面：

一、残余应力对变形的影响：由于加工路径不同，工件中残余应力释放的顺序存在差异，导致工件的变形量也不一样。

二是工件刚度对变形的影响：随着材料的不断去除，工件刚度逐渐降低，不同的加工路径会对工件的整体刚度产生影响，导致不同的变形结果。刀具路径优化可以解决工件的残余应力变形和弹性变形。

如何优化刀具路径？

1.2.1 基于触发式测头自动测量系统，实时在线测量叶片加工变形，建立刀具偏差路径补偿模型，形成自适应薄壁侧铣加工方法，经实验验证，能够减少刀片的变形，提高其加工精度。

1.2.2 采用最小面积准则将加工表面与采样点进行拟合，实现刀具轨迹的优化定位。基于距离函数的微分性质，定量描述加工误差在刀具轨迹调整下的变化，将补偿加工变形误差的刀具路径优化问题简化为混合整数线性规划问题，然后使用分支定界法解决混合整数线性规划问题。

最后通过补偿前后的预测与五轴铣刀片试验进行对比，验证了该误差补偿模型和算法的有效性。

1.2.3 基于有限元方法，建立了薄壁零件铣削过程的仿真模型，主要用于研究肋结构对薄壁零件加工变形的影响。如图14所示，从毛坯到工件的加工过程示意图，由于加工过程中随着工件厚度的减小，最大变形逐渐增大，所以在半精加工时，留有筋结构，筋间距有20、30、40、50mm，筋条宽度有3、4、5、6mm，通过仿真分析：

如图15(a)所示，随着筋间距的增大，变形明显增大；如图15(b)所示，肋宽的增加对变形影响不大。

目前对走刀路径和加工顺序需要做专业的研究，目前的研究大多是针对单框零件或多框薄壁零件，通过不同的走刀顺序，比较变形情况工件加工后，推导刀具路径的最小变形量，这可以为实际加工提供一定的指导意义。

铣削速度、进给量、铣削宽度和铣削深度是铣削中最基本的切削参数，这些参数往往基于加工经验或切削手册，但这些参数可能不适用于薄壁零件的复杂表面。

因为薄壁零件加工变形随着材料去除率的增加而增加，追求较高的材料去除率，但又不希望薄壁零件加工过程中出现较大的弹性变形。优化加工参数可适当降低切削力载荷，减少薄壁零件的弹性加工变形。

如何进行参数优化？

1.3.1基于正交试验方法得到影响薄壁零件加工变形的重要参数以及使加工变形最小化的加工参数组合。

1.3.2 研究不同精铣阶段和铣削深度对薄壁零件加工变形的影响。

1.3.3 基于有限元法和遗传算法的同步优化算法。

如图18所示，通过仿真结果对比，优化后的铣削参数可以大大减少薄壁零件的变形。

1.3.4有限元正交优势分析法，分析铣削速度、铣削深度、铣削宽度、每齿进给量对铣削变形的影响程度，进而减少薄壁零件在加工过程中的变形为目标函数，得到铣削参数的最优组合。

通过对薄壁框架零件进行验证并利用正交优势分析优化铣削参数组合，最大变形量显着减小。

1.3.5静态模拟，以不同铣削参数的最大变形为样本，通过遗传算法进行铣削参数优化，进行仿真，并与实验比较，优化后的铣削参数不仅在一定程度上降低了最大变形，而且提高生产效率，对实际加工有指导意义。

1.3.6 根据工况映射和薄壳应力拟合残余应力变形模拟预测方法，利用支持向量机建立残余应力响应预测模型，然后利用遗传算法对铣削参数进行优化，得到以残余应力变形为约束，以最大加工效率为目标，优化进给量、切削速度和切深，优化铣削宽度等单一设计变量。当铣削宽度和另一设计变量的值取为固定值时，研究当另外两个设计变量提高切削效率时对残余应力变形的影响，如图19所示。

结果证明，在给定约束下，遗传算法得到了最优切削参数组合，进给量为0.0599 mm/z；切割速度72.5627 m/min；铣削深度为 0.1090 毫米。

在加工过程中，优化的铣削参数不仅可以减少和控制薄壁零件的加工变形，满足加工精度的要求，而且可以提高加工效率，因此铣削参数的合理优化对制造具有重要意义。

在薄壁零件铣削加工中，采用辅助支撑技术主要是为了提高薄壁零件在加工过程中的刚性，从而减少加工过程中的弹性变形。

控制薄壁零件变形的辅助支撑技术的研究主要有相变材料辅助支撑和镜面铣削加工2大类。

为了解决变形，将低熔点材料注入结构型腔中以辅助铣削。

采用相变辅助支撑可以提高薄壁零件的刚性，从而提高薄壁零件的加工精度，但会增加加工工艺步骤，在一定程度上降低加工效率。

所谓镜面铣削系统是由两个同步运动的卧式加工中心和柔性夹具组成，两个机床主轴头一个支撑头，另一个加工头，两个同步运动，在加工时作为镜面分布。工件两侧的原理如图21所示。

目前，法国Dufieux Industrue公司和西班牙M. Torrs公司是全球领先的镜面铣削设备制造商。

采用镜面铣削可以提高薄壁零件的刚性，可以减少铣削过程中的变形；还可避免多次装夹造成的重复定位误差，保证加工精度，提高加工效率。

但目前镜面铣削零件主要是薄壁平板，对于薄壁零件的复杂形状仍需进一步研究。

高速切削的概念于1931年由德国物理学家Carl.J.salomon首先提出；经过众多学者的努力，使高速切削理论更加成熟和完整。该理论的主要内容是：在传统的切削速度范围内，切削温度和切削力随着切削速度的增加而变大，当切削速度大于某个值时，切削温度和切削力随着切削速度的增加而增大。但切削速度会降低，可以解决弹性变形和残余应力变形。

高速切削对变形过程的影响，如图22所示，高速切削简化模型，第一变形区减小，剪切角变大；第二变形区的接触长度减小，前刀面受高速切削时载荷的作用减小，因此切削力大大减小；然后由于切屑排出速度很高，切削过程中的大部分热量被切屑带走，降低了切削温度。

从上述高速切削分析：由于切削力的减小，在加工薄壁零件时，刀具-工件变形会相应变小，提高了零件的尺寸形状和精度；由于大部分热量被切屑带走，高速加工相比传统切削，工件的温升减慢，工件热变形减少。

在高速切削时，刀具的悬伸一般较短，刚性好，轴向切深小，径向切宽大，切削效率高，适合薄壁零件加工。

因此，薄壁零件的高速高精度切削是未来制造技术的发展趋势。

已加工零件在切削力的作用下，零件会发生弹性变形，并且随着材料的不断去除，刀具通过后，工件的一部分会回弹，出现脱刀现象，导致薄壁零件顶部较厚，底部较薄。

根据变形的程度，刀具会附加一个挠度来解决薄壁零件的弹性变形。

针对工件弹性变形引起的切削力误差补偿问题，可以采用基于动态特征的实时变形误差补偿方法，建立动态特征模型，然后根据动态特征计算变形量模型，可实现基于功能块的弹性变形加工误差补偿。

薄壁零件由于刚度低而产生变形，是由于刀具在力的作用下出现松开现象而引起的。通过VC++和MATLAB的混合编程方法处理数据，生成直观的图形并修改刀具轨迹。

为解决薄壁零件上厚下薄的问题，在数控编程时，在刀具在原有走刀的基础上，根据变形程度，使刀具进行附加挠度，以进行补偿对于让刀产生的回弹量，可以通过数控技术进行补偿，将刀具的残余材料去除，可以保证薄壁零件的加工精度。

目前，解决薄壁零件的变形问题，通过工艺优化、装夹布局、辅助支撑技术、高速切削技术、数控补偿技术等进行分析，从而保证薄壁零件的加工精度在某个特定的部分可以达到预期的效果。

刀具路径补偿不仅是刀具位置的所有变化都可以实现补偿，还需要改变刀具姿态，如果补偿路径不光滑，会导致实际加工精度降低等问题，很难实现。推广到普遍应用。

基于人工智能的算法可以提高计算效率，但是人工智能算法需要对模型进行训练，模型的训练是在特定的参数下进行的，如果参数发生相应变化，就需要重新训练，因此人工智能算法需要检测加工变形以及引导加工的应用受到一定的限制。

物联网、大数据、云计算等新一代技术与制造业的融合催生了数字孪生的概念。这些双胞胎是物理实体的虚拟复制品，可实现物理世界和数字世界之间的无缝交互，从而实现智能制造流程。

在机械加工领域，数字孪生在预测性维护和质量控制中发挥着至关重要的作用。通过利用数据分析、仿真模型和实时反馈机制，它们使制造商能够监控刀具磨损、预测加工结果并优化流程，特别是在薄壁加工应用中。

一项显着的进步是将分析模型和有限元模型与传感器数据相集成，最终开发出基于数字孪生的平台。这些平台能够预测和控制薄壁零件变形，解决精密制造中的重大挑战。

通过复杂的数据融合技术，这些平台可加速变形预测并促进实时控制，最终提高加工精度。它们由多个层组成，包括物理实体层、双信息层和云决策层，每个层都有助于系统的整体智能和适应性。

数字孪生驱动方法的好处是多方面的。它们提供对加工过程的实时洞察，促进自适应决策以响应不断变化的条件，并集成智能算法以优化性能并降低成本。

从本质上讲，数字孪生代表了制造业的范式转变，使各行业能够实现前所未有的精度、效率和控制水平。通过弥合物理领域和数字领域之间的差距，它们为智能制造的新时代铺平了道路。

一般来说，加工薄壁零件是一项非常具有挑战性的工作。从源头来说，产品设计时必须考虑薄壁加工。这是制造成功产品的重要因素。当然，在没有选择的前提下，从实际角度出发，合适的加工方案才是企业和客户最现实的选择。