一种铝合金薄壁壳体的加工工艺制造技术

本发明专利技术属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种铝合金薄壁壳体的加工工艺，包括定位装夹步骤：根据工件的加工要求，设计出多种合理的装夹方案，包括定位方案和夹紧方案；确定各种装夹方案的定位和夹紧位置，应用ANSYS软件和装夹方案优化数学模型，建立工件装夹的有限元模型，利用有限元法计算工件的装夹变形；通过分析各种装夹方案的变形值，比较各种装夹方案的目标函数值，得出最优的装夹方案。该加工工艺减小了装夹变形量，提高了加工精度和加工效率，提高了工件的刚性，优化了产品性能。优化了产品性能。优化了产品性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金薄壁壳体的加工工艺


[0001]本专利技术属于铝合金加工
，具体涉及一种铝合金薄壁壳体的加工工艺。

技术介绍

[0002]随着现代航空事业的发展，对产品的性能要求不断提高，铝合金薄壁零件因其特有的高强度、质量轻、高承载能力等特点，已得到广泛应用。为提高制造精度，飞机航电系统的零部件中越来越多地使用整体结构件，因其具有刚性好、总质量轻、抗震动性好等特点，逐步取代了过去的部分拼装件。随着薄壳件的广泛应用，薄壳件的高性能数控加工已成为制造业急需解决的一个问题，由于其结构复杂、材料去除率高、薄壁部位多，对加工精度要求高，不但要保证表面的尺寸精度及表面粗糙度、各孔系的尺寸、位置精度及孔与平面的位置精度，更要保证表面的平面度、相互位置精度，然而薄壳件的相对刚度较低，在对其数控加工过程中，由于切削力、夹紧力、残余应力、切削热等多种影响因素，很容易出现弯曲、扭曲或弯扭组合等变形，甚至产生报废，加工精度难以达到设计要求，同时加工效率很难提高，这极大的影响了企业的经济效益，因此研究解决薄壳件加工过程变形的产生机理和防治技术对现代制造业的发展具有积极的意义。

技术实现思路

[0003]为了解决铝合金薄壁零件加工过程中易变形的问题，本专利技术提供了一种铝合金薄壁壳体的加工工艺，提高了加工精度和加工效率，优化了产品性能。
[0004]本专利技术提供的铝合金薄壁壳体的加工工艺，包括定位装夹步骤：
[0005]工件的定位是由定位元件和定位方式决定的，通过确定工件的定位基准面和限制工件的自由度保证工件在夹具中占据确定位置，通过选择合适的定位基准、定位方式和定位元件保证工件的定位有足够的定位精度。
[0006]在工件已定位好的基础上，在适当的位置施加一定的夹紧力，防止工件在加工的过程中发生滑动、翻转、使工件在整个加工过程中都保持相同的位置，而夹紧力的设计是关键，包括夹紧力的方向选择、夹紧力的施加位置和夹紧力的大小。薄壳件夹紧力的设计要求如下：夹紧力的大小除了要满足工件不滑动、不翻转等要求外，还要尽量减少由夹紧力所引起的装夹变形；夹紧力的施加位置与工件的支承位置要相对应，达到最佳组合，以减少薄壳件的装夹变形；夹紧力的施加方向应该尽量避免与切削力的施加方向一致，防止耦合后的力增大工件变形的趋势；采用多个夹紧元件进行夹紧，使工件装夹变形均匀化。
[0007]装夹首先必须确定优化变量，装夹的定位面、夹紧面和支承面都已经确定，且各定位面、夹紧面和支承面上的定位点个数、夹紧点个数也都已经确定，而进一步需要确定的是这些面上夹紧点的位置，夹紧顺序和加载方式。合理的装夹方案可以减小工件的装夹变形，但对于不同的薄壳工件，其加工要求也是不同的，通过计算关键表面的形位误差来进行比较装夹方案的优劣，即将工件装夹时的形状和位置误差作为目标函数f，当工件有多个公差要求时，通过权重系数W
i
来修正目标函数，建立的装夹方案优化数学模型如下：
[0008][0009]式中，R
u
表示支承u处反作用力，P
v
表示夹紧件v处夹紧力，F
fw
表示夹具w与工件之间的摩擦力，F
c
表示切削力，G表示工件重力，j表示支承件个数，k表示夹紧件个数，r
c
、r
g
分别表示切削力、工件重力的位置矢量，r
ru
、r
pv
、r
fv
分别表示第u个支承处、第v个夹紧力和第w个夹具的位置矢量，μ是支承件与工件之间的摩擦系数，F
nw
是支承件w与工件之间的法向力，F
τw
、F
τw
是支承件w与工件之间的两个切向力，N是夹紧力与其接触面的外法线标量。
[0010]在以上基础上，通过如下三步骤确定装夹方案：
[0011]首先，根据工件的加工要求，设计出多种合理的装夹方案，包括合理的定位方案和夹紧方案；
[0012]其次，确定各种装夹方案的定位和夹紧位置，应用ANSYS软件，建立工件装夹的有限元模型，利用有限元法计算工件的装夹变形；
[0013]最后，通过分析各种装夹方案的变形值，比较各种装夹方案的目标函数值，得出最优的装夹方案。
[0014]进一步的，所述定位装夹步骤之前设有热处理步骤，所述热处理步骤为：对铝合金毛坯件进行淬火，淬火开始温度即固溶处理温度为465～470℃，水温度为50～60℃，淬火时间为15分钟以上，淬火后进行时效处理。
[0015]进一步的，所述铝合金毛坯件为2A12铝合金毛坯件。
[0016]进一步的，所述淬火剂为PAG溶液，PAG溶液温度为15～25℃。PAG溶液是使用最广泛的聚合物淬火剂，它是聚烷撑二醇(PolyAlkylene Glycol)添加水溶剂后得到的水溶性淬火介质。
[0017]铝合金毛坯件的淬火过程是一个复杂的热力耦合作用过程，经过淬火处理的铝合金，虽然其强度和硬度显著提高，但产生了淬火残余应力，而淬火残余应力是引起整体薄壁件加工变形的一个重要因素，因此本专利技术通过控制严格控制淬火工艺参数来控制毛坯内部残余应力的大小，从而改善工件的变形情况。
[0018]进一步的，所述定位装夹步骤之后设有铣削加工步骤，所述铣削加工步骤为：铣削加工时间由铣削时间、换刀时间和辅助时间组成，将加工时间作为目标函数T(x)，采用进给
力、机床功率、主轴转速、进给量等约束进行加工参数的优化求解，以加工误差约束作为检验加工参数优化结果的限制条件，结合设计变量、目标函数和约束条件，建立加工参数优化数学模型，利用遗传算法对模型进行求解，加工参数优化数学模型为：
[0019][0020]式中，a
p
为切削深度、a
e
为切削宽度、l为走过的距离，v为切削速度、f
z
为每齿进给量，P为机床输出功率，F为切削进给力，n为机床主轴转速，f为进给量，δ为表面加工误差，D为刀具直径。
[0021]遗传算法是以决策变量X组成优化问题的解空间，与生物一代一代的自然进化过程相类似，遗传算法的运算过程也是一个反复迭代过程，这个群体不断地经过遗传和进化操作，这样最终在群体中将会得到一个优良个体X，它所对应的表现型X将达到或接近于问题的最优解X
*
。针对加工参数优化问题，利用C语言编写了遗传算法函数，实现了加工时间最短、效率最高为目标的切削速度v、进给量fz的优化计算选择。
[0022]进一步的，所述铣削加工步骤之后设有阳极氧化工艺步骤，所述阳极氧化工艺步骤为：将铣削加工后的工件作为阳极，置于硫酸的电解液中，硫酸浓度为220～240g/L，施加阳极电压进行电解，电流密度Ja为2.5～3.0A/dm2，硬质氧化时间为65～70min，在工件表面形成一层致密的硬质氧化膜层。
[0023]进一步的，所述硬质氧化膜层平均硬度在352HV以上，膜层δ在60μm以上，膜层致密，厚度均匀，综合性能优异。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝合金薄壁壳体的加工工艺，其特征在于，包括定位装夹步骤：对工件进行定位，确定工件的定位基准面，限定工件的自由度；在工件定位后，夹紧工件，夹紧位置与工件支承位置相对应，夹紧力的施加方向不可与切削力的施加方向一致，采用多个夹紧元件进行夹紧，使工件装夹变形均匀化；将工件装夹时的形状和位置误差作为目标函数f，当工件有多个公差要求时，通过权重系数W
i
来修正目标函数，建立的装夹方案优化数学模型如下：式中，R
u
表示支承u处反作用力，P
v
表示夹紧件v处夹紧力，F
fw
表示夹具w与工件之间的摩擦力，F
c
表示切削力，G表示工件重力，j表示支承件个数，k表示夹紧件个数，r
c
、r
g
分别表示切削力、工件重力的位置矢量，r
ru
、r
pv
、r
fv
分别表示第u个支承处、第v个夹紧力和第w个夹具的位置矢量，μ是支承件与工件之间的摩擦系数，F
nw
是支承件w与工件之间的法向力，F
τw
、F
τw
是支承件w与工件之间的两个切向力，N是夹紧力与其接触面的外法线标量；在以上基础上，通过如下三步骤确定装夹方案：首先，根据工件的加工要求，设计出多种合理的装夹方案，包括定位方案和夹紧方案；其次，确定各种装夹方案的定位和夹紧位置，应用ANSYS软件和装夹方案优化数学模型，建立工件装夹的有限元模型，利用有限元法计算工件的装夹变形；最后，通过分析各种装夹方案的变形值，比较各种装夹方案的目标函数值，得出最优的装夹方案。2.如权利要求1所述的一种铝合金薄壁壳体的加工工艺，其特征在于，所述定位装夹步骤之...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，刘艳霞，徐静，李冰，张岭，张峰，田广奇，
申请(专利权)人：山东泰和能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：