薄壁类零件数控加工变形控制方法与装夹工艺优化

一、薄壁零件加工变形的主要影响因素分析

薄壁零件之所以在数控加工期间易产生变形，从根本上来讲是由于工件结构刚性较差，难以对加工时所面临的复杂应力与热影响予以承受。就材料特性而言，会对变形行为造成直接影响，像热膨胀系数较大、弹性模量偏低之类的材料，在加工时更易于出现尺寸偏差。而结构形状例如壁厚不均以及存在局部薄弱区域的情况，在受力之际将会使应力集中，最终导致局部翘曲或者整体发生形变。不合理的刀具路径设计，比如切削方向频繁变更或者进刀方式不够平稳，将引发瞬时冲击力，从而进一步加剧工件出现位移。另外，在加工中所产生的切削力若没有得到有效控制，同样也会使得工件发生弹性或者塑性变形。在热变形方面，因加工热量积聚而造成的局部温升不均，会进一步诱发热胀冷缩行为。上述因素彼此叠加起来，共同构成了薄壁件加工变形的主要根源。

二、数控加工中的变形控制技术方法

（一）分步粗精加工法

为了能够有效减少由应力集中以及应力释放等因素引发的形变，分步粗精加工是众多策略之中属于最为基础也是最有效性的策略之一。此方法会把整个加工进程细致划分为粗加工、半精加工还有精加工等多个不同阶段。在粗加工阶段，重点在于将大部分材料予以去除，然而又特意去保留一定程度的加工余量，以此实现保持零件整体刚性结构的目的。当变形逐渐朝着稳定状态发展后，再开展实施精加工，意图在最大程度上去减小在后续加工过程中可能会出现的附加变形。合理规划的工艺顺序以及科学进行的加工阶段划分工作，它不仅能够对分散应力方面起到帮助作用，而且也能够对于降低加工误差带来的效果，其属于薄壁件变形控制过程当中极为重要的手段。

（二）局部余量补偿技术

针对壁厚不均的区域或者边缘结构呈现薄弱特征的部分而采用局部余量补偿这一举措，有着不容小觑的重要意义。这一意义具体体现为，经由在变形尤为敏感的区域里设置较大规模的加工余量方式，能够使得相应的区域在整个加工的进程当中相对更高一些的抵抗形变的能力。就像是在开孔边缘亦或是悬臂区域，要是能够适当地增加一定的余量，便能够有效地分散由于切削力集中从而带来的局部应力，进而使得该区域的稳定性以及加工的一致性得到提升。此外，此方法常常会与仿真技术相结合来予以使用，目的在于对不同区域的余量配置所需要的量进行量化，以便能够达成精准补偿的最终目标。

（三）切削参数的动态调整

切削过程当中存在的热力耦合效应，这一效应作为引发薄壁变形的关键因素，所以必须要对切削参数予以实时调整，目的是使这些参数能够适应材料的状态以及工件的结构。而对进给速度、切削深度以及主轴转速开展动态控制工作，对于缓解因局部载荷突然增加所带来的形变风险有着积极作用。进一步阐述，在壁厚出现逐渐减小形或者处于结构比较柔弱的区域时，应当适当采取降低切削量这一措施、选用高刚性且低振特性的刀具，并且还要配合利用冷却液对热输入进行控制，此系列操作有助于使加工过程趋于稳定，防止出现结构变形以及表面质量发生劣化的不良状况。

（四）仿真预测技术的应用

在当前高端制造领域之内被视为关键手段，是运用有限元分析（FEA）连同数字孪生模型来对加工过程所展开的仿真操作。在实际进行加工之前，借助仿真模拟不同路径、参数以及装夹方式这一系列要素会对工件带来怎样的热力变形影响，如此便能预先识别存在高风险的区域，进而对工艺方案展开优化。这种举措不但能够大幅降低试错成本，而且还可以防止因经验存在不足而使工件出现报废的状况，从而成为提高加工精度与良品率方面颇为重要的一种保障。

三、装夹工艺的优化策略研究

（一）传统装夹存在的问题

在薄壁类零件所涉及到的数控加工领域当中，传统的装夹方法大多情况下会采用以刚性作为固定方式，例如像是通过压板施加一定压力来进行压紧，又或者是运用三爪卡盘工具实施夹持。尽管这类方式从操作层面上存在着易于执行的特点，然而夹紧力却集中地分布于数量相对较少的几个特定点上，进而导致局部区域出现应力超出正常范围的情况，引发弹性变形或者塑性变形这类现象，特别是在壁厚较薄状况的相关区域，此现象的表现更为明显。除此之外，传统的夹具在对工件变形过程作出响应的能力方面有所欠缺，在实际的加工过程当中不能够依据实际状况对夹持的具体状态进行调节，最终造成可能出现夹紧力度不足，亦或是过度进行压紧的问题。而这些问题的产生又会进一步从严重程度上影响到加工精度、重复定位精度以及装配质量等方面。

（二）三类优化装夹策略分析

针对上述问题，经过深入研究与分析被提出的三类装夹优化策略中，其中之一为多点分布装夹，此策略依靠在大型或薄壁结构件的工件上以均匀方式设置多个夹紧点，进而实现夹持力分散，目的在于显著降低局部应力集中状况。自适应夹具作为第二类策略，借助柔性结构连同传感器反馈机制方式，能够在加工过程中动态感知并对夹持状态进行调整以实现夹紧力均衡控制，由此提升整体适应性与加工安全性。而变刚度支撑技术作为最后一类，依据工件结构特性去设置刚性与柔性支撑区，例如在中空或边缘位置布设柔性材料支撑，既可以缓冲加工冲击力，同时在核心区域保证刚性支撑，以增强装夹系统的协同性和抗干扰能力。

（三）优化装夹的协同应用与效果

在实际生产的复杂情境下，考虑到要追求最佳效果这一目标，常常需要将有着不同特性的装夹策略以协同的方式去进行应用。例如，在大尺寸薄壁件的加工操作过程中，可通过结合采用多点装夹以及变刚度支撑设计的方式，并且在夹具里面同步引入应力释放通道或者预紧控制装置，以此来对夹持稳定性与工件自由变形两者之间的矛盾加以平衡。倘若还能够配合数控系统里的仿真与反馈控制模块，还可以促使实时变形监测以及动态夹紧调整得以实现。相关的研究结果充分表明，前文所提及到的装夹优化手段，能够对工件变形率起到有效降低的作用，进而能够让加工精度提高大约 20% 以上，对于薄壁件实现高效并且高质的加工而言，是一项具有重要意义的技术支撑要素。

结论：

薄壁类零件因其结构特性，在数控加工过程中极易产生变形，影响精度与可靠性。本文围绕加工变形的成因、控制方法与装夹工艺优化进行了系统分析，提出了多种切实可行的解决策略。实践证明，科学的工艺规划与装夹设计是提升加工质量的关键。未来，应进一步引入智能监测、数字孪生与自适应控制等先进技术，实现薄壁零件加工全过程的实时感知与智能调控，推动高端制造向数字化、智能化迈进。

参考文献：

[1] 曹志峰 , 朱超奇 , 涂杰 , 等 . 浅谈数控铣削薄壁类零件加工工艺 [J].工程机械与维修 ,2022,(04):45-47.

[2] 刘文进 , 李锋 . 数控铣削高效加工技术与绝技绝招 [M]. 化学工业出版社 :201909.210.