變形加工新技術(shù)

　　變形加工是一種結(jié)合了兩種加工技術(shù)——薄壁件銑削和單點(diǎn)逐層成形（SPIF）——的混合加工工藝。由美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)夏洛特分校、西北大學(xué)和克萊姆森大學(xué)的研究人員開發(fā)的這種新工藝可在3軸數(shù)控機(jī)床上加工出通常需要用5軸數(shù)控機(jī)床才能加工的零件幾何形狀。用變形加工技術(shù)加工各種葉輪（通常需要在5軸機(jī)床上銑削加工），可以縮短加工時(shí)間和降低加工成本。

　　圖1 變形加工通過(guò)薄壁銑削（左）和SPIF（中），形成傾斜的薄壁（右）。

　　圖2 用變形加工制成的這一組薄翅片比用5軸機(jī)床切削加工的類似翅片重量更輕，因?yàn)榧庸け”诟康匿J角時(shí)無(wú)需考慮刀具后角的限制。(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

　　圖3 在傳統(tǒng)3軸機(jī)床上采用變形加工制成的一簇方形細(xì)銷針（截面邊長(zhǎng)0.5mm，高度約75mm)。(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

　　薄壁件銑削是采用專門的銑刀和加工策略，銑削出壁厚和底部極薄的薄片形零件。在許多航空零部件的加工中，整體薄壁銑削件已逐漸取代了鈑金加工件。

　　單點(diǎn)逐層成形（SPIF）加工最初是為制造薄片金屬零部件而開發(fā)的一種無(wú)需模具的成形工藝。加工時(shí)，一個(gè)外形類似球頭立銑刀，但沒(méi)有刀齒的工具與夾持在框架中的金屬片單點(diǎn)接觸，并按照設(shè)定路徑，使工件逐層變形，加工出所需要的幾何形狀。

　　變形加工的原理是：首先采用薄壁銑削工藝從頂部到底部逐層進(jìn)行切削，每次走刀都將該層的壁厚加工至其最終尺寸。這種銑削方式可使工件壁在加工時(shí)始終保持較好的剛度。然后用一個(gè)整體硬質(zhì)合金球頭圓棒工具替換銑刀，進(jìn)行單點(diǎn)逐層成形（SPIF）加工。該工具沿著預(yù)定路徑移動(dòng)，以垂直于工具軸線的方向?qū)ぜ”谑┘訅毫?，使其發(fā)生塑性變形。工具從整個(gè)工件的頂部到底部逐層來(lái)回移動(dòng)，使高度約為50mm、厚度為1mm的薄壁變形傾斜。

　　由于工件變形時(shí)，靠近薄壁邊緣處的回彈量大于薄壁中間部位的回彈量，因此工具的移動(dòng)路徑并不是一條直線。為使薄壁保持平直，工具路徑必須是一條曲線。為了加工出所需要的工件幾何形狀，工具路徑的選擇相當(dāng)重要。為了能一次加工出所要求的最終零件形狀，就必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出金屬薄片變形時(shí)的回彈量。然而，幾乎所有現(xiàn)成的加工數(shù)據(jù)都是基于冷軋薄板工藝。而在變形加工中，薄壁是通過(guò)切削（而非軋制）而成，因此回彈量預(yù)測(cè)是一個(gè)正在研究中的課題。

　　測(cè)量結(jié)果表明，變形加工所需功率小于常規(guī)切削加工的功率，因此傳統(tǒng)的機(jī)床都能勝任這種加工。

　　如要加工薄底工件，可首先在工件兩邊銑削一個(gè)凹腔，在中間形成一個(gè)很薄的平底，然后用變形工具將平底推擠成圓拱形。這種形狀可用于許多零部件（如散熱裝置），而采用傳統(tǒng)工藝很難加工出這種幾何形狀。

　　成形薄壁件的商業(yè)應(yīng)用包括航空零部件中的T型加強(qiáng)筋板、回油板、型線等幾何形狀。成形薄底件的用途之一是飛機(jī)上的壓力艙壁。圓拱形可以增大底部面積，同時(shí)能承受相同的壓力，類似于鋁制飲料罐的底部。

　　雖然變形加工工藝仍處于開發(fā)階段，但有一點(diǎn)已經(jīng)很明確：用該工藝在多種工件材料上加工復(fù)雜幾何形狀是完全可行的。目前正在進(jìn)行的工作主要是優(yōu)化操作順序、選擇工藝參數(shù)、計(jì)算工具路徑、確定可達(dá)到的尺寸精度、疲勞壽命以及對(duì)機(jī)床和工具的要求。