美国的变形加工新技术

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美国的变形加工新技术

变形加工是一种结合了两种加工技术——薄壁件铣削和单点逐层成形（SPIF）——的混合加工工艺。由美国北卡罗莱纳大学夏洛特分校、西北大学和克莱姆森大学的研究人员开发的这种新工艺可在3轴数控机床上加工出通常需要用5轴数控机床才能加工的零件几何形状。用变形加工技术加工各种叶轮（通常需要在5轴机床上铣削加工），可以缩短加工时间和降低加工成本。
薄壁件铣削是采用专门的铣刀和加工策略，铣削出壁厚和底部极薄的薄片形零件。在许多航空零部件的加工中，整体薄壁铣削件已逐渐取代了钣金加工件。
单点逐层成形（SPIF）加工最初是为制造薄片金属零部件而开发的一种无需模具的成形工艺。加工时，一个外形类似球头立铣刀，但没有刀齿的工具与夹持在框架中的金属片单点接触，并按照设定路径，使工件逐层变形，加工出所需要的几何形状。
变形加工的原理如图1所示。首先采用薄壁铣削工艺从顶部到底部逐层进行切削（图1上），每次走刀都将该层的壁厚加工至其最终尺寸。这种铣削方式可使工件壁在加工时始终保持较好的刚度。然后用一个整体硬质合金球头圆棒工具替换铣刀，进行单点逐层成形（SPIF）加工。该工具沿着预定路径移动，以垂直于工具轴线的方向对工件薄壁施加压力，使其发生塑性变形（图1中）。工具从整个工件的顶部到底部逐层来回移动，使高度约为50mm、厚度为1mm的薄壁变形倾斜（图1下）。

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图1 变形加工通过薄壁铣削（上）和SPIF（中），形成倾斜的薄壁（下）

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由于工件变形时，靠近薄壁边缘处的回弹量大于薄壁中间部位的回弹量，因此工具的移动路径并不是一条直线。为使薄壁保持平直，工具路径必须是一条曲线。为了加工出所需要的工件几何形状，工具路径的选择相当重要。为了能一次加工出所要求的最终零件形状，就必须准确预测出金属薄片变形时的回弹量。然而，几乎所有现成的加工数据都是基于冷轧薄板工艺。而在变形加工中，薄壁是通过切削（而非轧制）而成，因此回弹量预测是一个正在研究中的课题。
测量结果表明，变形加工所需功率小于常规切削加工的功率，因此传统的机床都能胜任这种加工。


图2 用变形加工制成的这一组薄翅片比用5轴机床切削加工的类似翅片重量更轻，因为加工薄壁根部的锐角时无需考虑刀具后角的限制

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图3 在传统3轴机床上采用变形加工制成的一簇方形细销针（截面边长0.5mm，高度约75mm）
如要加工薄底工件，可首先在工件两边铣削一个凹腔，在中间形成一个很薄的平底，然后用变形工具将平底推挤成圆拱形。这种形状可用于许多零部件（如散热装置），而采用传统工艺很难加工出这种几何形状。
成形薄壁件的商业应用包括航空零部件中的T型加强筋板、回油板、型线等几何形状。成形薄底件的用途之一是飞机上的压力舱壁。圆拱形可以增大底部面积，同时能承受相同的压力，类似于铝制饮料罐的底部。
虽然变形加工工艺仍处于开发阶段，但有一点已经很明确：用该工艺在多种工件材料上加工复杂几何形状是完全可行的。目前正在进行的工作主要是优化操作顺序、选择工艺参数、计算工具路径、确定可达到的尺寸精度、疲劳寿命以及对机床和工具的要求。