残余应力对变形的影响及措施
２．１切削力模型
为分析薄壁件变形问题，需建立受力模型、变形模型及数控补偿模型。而建立准确的受力模型是第一步关键的工作。
图ｌ立铣切削受力模型示意图
加工薄壁件多用立铣，所以首先建立立铣切削受力模型，如图ｌ所示。立铣刀参与切削的部分为侧刃、底刃和刀尖圆角半径。其中侧刃的受力模型经分析可采用Ｋｌｉｎｅ的平均力模型陋１。建模过程简述如下：因为切削力的大小与切削厚度有关，为方便分析，在侧刃上将总的切削面积划分为许多如图１所示?麓盒飘曩ｌ。麟寒科学蒸龛鏖赫撩≈≮蝴瓢摹２０醍）簿肭礴且．，，二∽，，
”作誊筒介ｔ芏瘩剐（ｆ鲫＇．鬻Ｄ，“舅，…汉族。江茵省景弛镇市。５ｂＩｏ箩ｌ班娥士研究生
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的负载单元，通过计算所有处在切削区域的每个单元负载，即可获得力的空间分布状态。
对于立铣刀底刃和Ｉ刀尖圆角半径部分的受力模型，可参考面铣的受力模型口３建立。建模过程简述如下：将切削力分解成垂直于刀具前刀面的法向力和刀具前刀面上的摩擦力，将某一瞬时处于切削区域内所有的法向力和摩擦力分解到Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向，并与测量的切削力建立方程，通过求解可得到模型常量，进而可建立得底刃和刀尖圆角半径部分的受力模型。
２．２切削力对侧壁变形的影响及措施
由于切削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形。针对侧壁加工的变形特征，可以从两方面考虑对其进行精度控制。其一为在常规铣削方式下，通过刀具或工件倾斜进行过切补偿：其二为利用高速加工技术进行分层对称铣削来
控制其加工精度。
Ｃ—ｃ．Ⅳ＾
薄
图２过切补偿原理示意图
如图２所示，薄壁件上端刚性较差，在切削力作用下容易产生弹性变形，Ａ，Ｃ两点分别移到彳?，ｃ两点，刀具仅切除Ａ＇ＢＤＣ部分的材料。走刀过后薄壁弹性恢复，残留ＣＤＣ。部分材料未被切除，造成了壁厚加工误差，因此薄壁件加工壁厚超差主要是由于让刀而少切了一块材料。若刀具能倾斜一个角度，即刀具由ＤＣ位置向ＤＣ位置偏摆，则在工件最下端径向切深不变，而在工件最上端径向切深增量为万。径向切深增大导致切削力的增大，进而变形增大，设刀具偏摆后加工中工件变形为万，。工件回弹后的实际变形将取决于过切的程度与加工中工件变形的程度，若偏摆角度合适，过切与变形部分正好抵消。，分层对称加工不仅切削力小，能减小加工变形，而且能使应力分布均匀化，同时可以采用大径向切深、小轴向切深加工并充分利用零件整体刚性，是一种有效而实用的侧壁加工工艺方法。
２．３切削力对腹板变形的影响及措施
图３为腹板变形示意图，在切削力的作用下，刀具和薄壁件的切削平面都不在正确的位置上。
实切削平面
计划的切削平面
工件的切削平面
图３腹板变形示意图
ＨａｒｕｋｉＯＢＡＲＡｔ４１等人提出的低熔点合金（ＬｏｗＭｅｌｔｉｎｇＡｌｌｏｙ）辅助切削方案有效地解决了薄板的加工变形问题。该方案指出，利用熔点低于１００℃的ＬＭＡ“Ｕ－ＡＬＬＯＹ７０”作为待加工薄板
的基座，或者将ＬＭＡ浇注入薄壁结构型腔，也可以将ＬＭＡ与真空吸管相配合组成真空夹具。该方法不仅可以加工高精度的薄板，也可以加工高精度的侧壁。
对减小腹板的加工变形，文献ｐｌ中介绍的工艺方法也值得参考。其具体方法如下：（１）刀具轨迹避免重复，以免刀具碰伤暂时变形的切削顽；（２）粗加工分层铣削，ｔＥ皮力均匀释放；（３）采用往复斜下
先进制造技术３９
刀方式以减少垂直分力对腹板的压力；（４）保证刀具处于良好的切削状态。当然，该方法仅在走刀路径方面进行优化，还需结合其它方法（如使用真空夹具等）进一步控制加工变形。
２．４基于有限元分析的变形模型
本文运用有限元分析结合受力模型进行变形模拟，以侧壁为例。模拟过程如下【６】：在刀具进给方向某一位置，假定刀具轴线固定，并以一定的角度增量妒旋转。在每一旋转位置，经过有限元分析计算均可计算出相应位置节点的变形。这样，经过”次旋转，共旋转西角，这一轴线上所有位置节点的变形便全部得出。然后，刀具沿进给方向前进到下一轴线位置，重复上述计算过程，直至工件的最边缘，这样，被加工工件的变形便全部被记录下来。必须注意，由于让刀现象，计算变形的过程中要通过迭代完成，直至满足收敛条件为止。
２．５基于有限元技术的数控补偿模型
进给量的局部优化法［７１与刀具偏摆数控补偿技术【８１均应用了有限元技术来建立零件的加工变形模型，并分析处理加工过程中的加：［变形状况。
进给量的局部优化方法是针对恒定进给量提出的。因为零件某一表面上各部分的刚性不同，在同一表面上的切削力的大小也会不同，受力变形情况也不一样。利用有限元分析软件进行分析后得到变形分布图，可以看到有些位置的变形大，有些位置的变形小。进给量的局部优化就是在变形小的地方采用大进
给量，而在变形大的地方采用小的进给量．这样可以在保证变形量的同时，提高效率，减少成本。实验研究表明，采用该方法在提高加工质量的同时可以节省约６０％的加：【时间。
刀具偏摆数控补偿技术，是在有限元分析基础上，根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加补偿运动，补偿因变形而产生的变形。对侧壁加工，通过偏摆刀具进行补偿，如１．２所示的过切补偿，在实际加工中可以通过有限元预先计算需要倾斜的角度，使变形控制在要求范围之内：对腹板加工，则补偿轴向切深，同样可以通过有限元预先计算需要补偿的轴向切深。通过数控补偿，可以将因变形而产生的残余材料切除，一次走刀即可保证薄壁件侧壁或腹板精度，从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。
残余应力对变形的影响及措施
３．１残余应力产生的原刚州
（１）热塑变形效应。高速切削过后产生的切削热使表层收缩多，里层收缩少。表层的收缩受里层的牵制，因而表层存在张应力，里层存在压应力。
（２）里层金属弹性的恢复。已加工表面形成之后，因刀具的作用力消失。弹性变形趋向复原，但受到表层金属的牵制，因而在表层造成应力状态。
（３）表层金属在切削热的作用下发生相变。高温时的奥氏体，冷却后变为体积比奥氏体大的马氏体。因而表层金属膨胀．但受到里层金属的牵制。结果，使表层出现压应力，而里层存在拉应力。３．２减小残余应力对变形影响的措施（１）在刀具方面。在刀具耐用度允许的情况下，选用较大的刀具前角和后角。文献ｌＩｕＪ提出了残余应力管理技术（ＲＳＭ），从不同的角度讨论减小残余应力的方法，对于刀具前角，该文指出，前角每增加１度，切削温度及切削力会降低１０％。，
（２）切削三要素的影响。文献ｎ¨指出加工时可以优先选用大的切削深度，
适当的进给量，小的切削速度来减小残余应力。文献ｌ“”指出，应该使用连续的进给，避免刀具在１１：＇－ｂ的某一位置停留，以防止工件局部过热，产生较大的残余应力。
（３）加工路线方面。在控制变形为首要考虑的前提下，可以采用１．２所述的对称铣削工艺技术。
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４切削热对变形的影晌及其对策
４．１切削热产生的原因
在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形以及切屑与前刀面及后刀面之间的摩擦都将产生热能。
切削速度对切削热的影响最为显著。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。
进给量对切削热也有一定的影响。进给速度很高时，切削区的热量来不及传给工件，所以绝大部分热量留在切屑内，由切屑带走，工件基本上不受切削热的影响，因而防止了热变形。
高速主轴的热变形导致了机床高速主轴的伸长。刀具的受热伸长也会导致工件尺寸超差。
４．２减小切削热对变形影响的措施［１２】（１）减小机床热变形对加工精度的影响。ａ．选择：［作稳定性好的高速切削机床。ｂ．确保加工时间段接近热平衡状态。加工前高速加工机床应当先空转足够的时间，使其基本上达到热平衡状态再开始二Ｉ＝：作，尽量使加工时间处于热平衡区间。
Ｃ．采用间断切削以减少热变形程度。针对高速加工过程的特点，在程序设计中加入延时子程序，可以实现加工过程的间断。
ｄ．缩短加工时间。实践中可以采用适度加大走刀量、刀具的直径、精加工刀具的齿数，以及优量等措施，缩短加工时间。
ｅ．改善主轴的润滑、冷却条件。
（２）减少刀具热变形对加工精度的影响。
刀具的热变形主要因切削热引起。选用膨胀系数小的刀具可以减小刀具热变形对工件加工精度的影响。
（３）减小工件热变形对加工精度的影响。
工件的热变形也主要由切削热引起，因此采用冷却性能好的水溶性冷却液进行冷却。
（４）减少切削热。
在二［：艺方案上，可采取在切削速度不变的情况下，适度加大走刀量，以及选用前角大的刀具来减少切削热。
５夹紧力对变形的影响及措施
５．１夹紧力的产生
夹紧力产生在工件与夹具的接触区域上。理想的夹具不应该产生任何变形，但是在许多情况下，由于夹具的制造或设计不合理，工件在夹紧力作用下发生变形。如图４、５为夹具和薄壁件的简单示意图以及变形示意图。
夹具薄壁件夹具
ＦＦ
图４夹具和薄壁件的简单示意图
５．２图５薄壁件在夹紧力作用下变形示意图减小夹紧变形影响的措施
对于薄壁件和其它一些工件很难找到合适的夹紧点，采取以下措施可有效减小夹紧变形【１３】。（】）增
先进制造技术４１加辅助支撑和辅助夹紧点；（２）分散着力点和增加压紧件接触面积；（３）利用对称变形；（４）对极薄的工件，采用类似于１．３所述的低熔点合金（ＬｏｗＭｅｌｔｉｎＩｇＡｌｌｏｙ）辅助切削方案。
夹紧点的选择是达到最佳夹紧状态的首要因素。只有正确选择夹紧点后，才
能估算出所需的适当夹紧力。因此尽可能使夹紧点和支撑点对应，使夹紧力作用在支撑上，夹紧点选择应尽量靠近加工表面，且选择在不致引起过大夹紧变形的位置。当工件上有几个方向的夹紧力作用时，还应考虑夹紧力作用的先后顺序。对于仅为了使工件与支撑可靠接触，夹紧力应先作用，而且不宜太大；对于以平衡切削力的主要夹紧力，应作用在最后。
６结论
本文分析了切削力对薄壁件变形的影响，并应用有限元技术模拟薄壁件变形，提出了相应的补偿措施。另外简要分析了残余应力、切削热和夹紧力对薄壁件变形的影响，并提出了相应预防变形的措施。实际上，薄蹙件的变形分析是一个复杂的过程，涉及到数控加工前期的工艺优化、有限元分析和加工方法。为获得良好的加工质量，尽可能减小薄壁件的变形，在实际加工中应综合考虑这几个因素。