薄壁壳体类零件加工变形问题的解决方案
2026-9-9 来源： 庆安集团有限公司 作者：张黎中
【摘要】: 基于航空薄壁壳体类零件的加工变形和尺寸超差问题，通过数据分析找出产生变形的规律和根本原因，提出一种 “应力释放 - 过程平衡 - 工艺优化” 的综合控制措施，并通过试验验证措施的有效性，为高精度薄壁零件的稳定制造提供了借鉴。
【关键词】: 薄壁 ; 壳体类零件 ; 材料去除率 ;加工变形 ; 应力释放 ; 工艺优化
1. 序言
随着航空航天、高端装备制造以及精密仪器等现代工业的飞速发展，对核心零部件的性能要求日益提高。为了满足轻量化、高强度和长寿命的设计需求，大量采用薄壁类零件。此类零件具有薄壁、结构复杂及材料去除率高的特点。其毛坯阶段材料经过锻造、轧制以及热处理等工序后，内部存在大量的初始残余应力。初始状态毛坯材料结构简单，内部应力处于平衡状态。然而在数控加工过程中，零件的材料去除率较大，且零件结构复杂，在零件的各个面上材料去除不均匀，材料的逐渐减少破坏了初始应力的平衡状态，导致零件在加工后应力释放产生加工变形。本文以某航空薄壁壳体类零件的加工为例，解决其在加工过程中因应力释放导致零件变形的问题。
2. 加工现状及问题分析
2.1 加工现状
某航空薄壁壳体类零件结构如图 1 所示，最薄处壁厚为 2mm，零件结构复杂，加工特征较多，加工流程较长。零件材料为 BS S143，是一种马氏体沉淀硬化不锈钢。零件使用圆柱棒料加工成形，来料状态为最终热处理状态，加工过程中无需增加热处理工序。零件加工完成后，在最终检验工序发现图 1 所示红色区域的内孔变形量为 0.020~0.067mm，图样要求内孔φ47.442~φ47.472mm，导致零件报废或者返工。零件的报废率高达 60% 以上，使得加工成本增加。必须改进工艺，从而提高零件的加工效率和产品质量，缩短加工周期，降低成本。
图 1 某航空薄壁壳体类零件结构
2.2 问题分析
通过前期跟踪以及对问题零件的内孔进行测量，发现此零件的变形区域（见图 2）集中在距端面 53~82mm 的范围内，内孔实测φ47.415~φ47.482mm。同时对问题零件进行编号，每个零件按照图 3 所示位置测量 5 个点并记录数据，发现零件内孔直径从位置 5 方向开始，沿顺时针方向测量直径逐渐变大，在位置 2 方向达到最大值。位置 2 方向直径测量值偏大，位置5 方向直径测量值偏小。通过数据对比发现，内孔直径的超差位置基本相同，超差变化趋势相同，方向也相同，呈现出一定的变化规律，对于解决问题起着至关重要的作用。接下来的重点工作是要找出导致零件内孔变形的关键因素或关键工序，为此分析该零件的整个加工流程见表 1。
表 1 零件的加工流程
图 2 变形区域示意
此变形内孔在 30 工序数控精车加工，30 工序及以后的所有工序都可能会对此内孔产生影响，需要逐一分析排查。通过对后续工序的加工内容、装夹方式综合分析，认为后续的钳工、线切割和检验等工序影响内孔工序的概率较小，初步排除在外。变形可能由以下两个因素造成。
1）后续工序的装夹方式不合理或者夹持力较大，可能导致零件产生塑性变形。由图 3 可见，零件呈现出 “鸡蛋” 状的变形，然而 33 工序之后的工序使用软三爪装夹，呈现出 “三角形” 变形，由此认为该壳体的变形不属于夹持产生的塑性变形。
2）材料去除率较大的工序，伴随着材料的去除，内部的应力平衡被打破，零件加工后应力释放，可能导致结构变形。
图 3 测量位置示意
通过以上分析发现，导致零件产生变形的关键因素可能发生在材料去除率较大的工序。伴随着材料的去除，材料内部的应力平衡被打破，零件加工后应力释放，导致零件产生结构变形。找到产生问题的要因后，通过试验验证猜想并解决问题。
3. 工艺改进措施及效果
3.1 找出产生变形的关键工序
通过初步分析，认为导致壳体零件产生变形的关键因素可能发生在数控精车 30 工序和四轴精加工 33 工序。30 工序、33 工序加工后的工件分别如图 4、图 5 所示。选取 5 件零件编号后进行工艺试验，步骤如下。
图 4 30 工序加工后的工件
图 5 33 工序加工后的工件
1）由于 30 工序数控精车加工内孔后，按照图 3 所示的位置，每个零件测量 5 个方向并记录，发现 5 个方向的尺寸差值在 0.002mm 以内，未超出设计要求，此变化可以不作为要因考虑。因此可以排除 30 工序对内孔变形的影响。
2）33 工序四轴精加工首件结束后，按照图3 所示的位置，每个零件测量 5 个方向并记录，发现 5 个方向的尺寸差值为 0.056mm，内孔出现 “鸡蛋” 状变形，变形的方向和位置与前期测量问题件的状态高度一致。为了得出更加可靠的数据，将其余 4 件零件也进行加工。
其余 4 件的测量数据与问题件的数据状态一致。此变化可以作为要因考虑。
3）同时使用本批零件对 34 工序立式加工中心加工、35 工序五轴加工、40 工序立式加工中心加工及55 工序立式加工中心精加工进行验证。在每道工序结束后，按照图 3 所示的位置测量，发现 5 个方向的尺寸值与 33 工序四轴精加工后该方向的测量值变化在 0.002mm 以内，此变化可以不作为要因考虑。基于此，可以排除这些工序对内孔变形的影响。
由此可以得出结论 : 导致零件内孔变形的要因为 33 工序四轴精加工。
3.2 改进措施
33 工序四轴精加工的主要内容
为铣削外形，该工序加工后的工件模型如图 6 所示。该工序加工的特点是结构特殊，材料去除不对称，材料去除率大，外形去除材料区域距端面60~86mm，与内孔变形区域距端面的距离 53~82mm 相近，且零件变形后内孔呈现出 “鸡蛋” 状，与零件铣削加工后的外形存在相似性。影响，由此确定的方案有以下两种。
图 6 33 工序加工后的工件模型
经过上述分析可知，零件内孔变形的原因是材料去除后内部应力释放，导致零件结构变形。
改善的基本思路就是消除零件结构变形对内孔的方案一 : 调整零件的工序顺序，将变形内孔的加工移至零件内部应力释放后进行，即将30 工序与 33 工序互换，先进行 33 工序四轴精加工去除材料，让零件内部应力释放后，再进行 30 工序数控精车内孔，以保证内孔尺寸。但是先进行 33 工序，再进行 30 工序，30 工序数控精车的夹持中间外圆已经不存在，导致该工序无法进行，如果按照此方案，则需要制造专用工装，且效果无法预估。该方案存在局限性，暂不考虑.
方案二 : 改变工艺方案，在 30 工序数控精车内孔时将内部应力提前释放，消除 33 工序四轴精加工时因去除大余量而导致的变形，这样33 工序就不会对 30 工序的特性产生影响。由零件的加工流程可以看出，25 工序和 33 工序装夹方式相同，都是铣削加工零件外形。原 25工序加工后的工件如图 7 所示。
图 7 原 25 工序加工后的工件
通过以上分析，将方案二作为本次改进的措施，改进的关键是让零件在精加工前释放应力，同时保证后续工序的装夹。基于此，将 25 工序的加工内容更改为如图 8 所示，在圆柱中间开 3处均布的槽，同时保证不破坏 30 工序软三爪的夹持位置。既可以让零件内部的应力提前释放，又不影响 30 工序数控精车软三爪的夹持。
图 8 改进后 25 工序的加工内容示意
为验证改进方案的正确性，将 5 件零件编号，按照上述方法改进 25 工序四轴加工后的工件结构（见图 9）。之后 30 工序数控精车，软三爪夹持 3处均布凸台加工外形和内孔特征，加工结束后按照图 3 所示的位置测量，5 件零件内孔直径的变化量在 0.002mm 以内。33 工序四轴精加工结束后，测量 5 件零件内孔直径的变化量在 0.002mm以内。对该批 5 件零件的后续所有工序加工完成后，测量内孔直径的变化量都在 0.003mm 以内。由此判定改进措施有效，解决了零件的变形问题。
图 9 改进后 25 工序四轴加工后的工件结构
3.3 改进效果
通过工艺方案的调整，重新规划工序的加工内容，解决了变形问题。为了确保此方案无偶然因素的影响，对后续 3 批共 90 件零件进行加工验证并记录数据，通过数据分析发现，90 件零件在加工完成后，内孔直径的变形量稳定在0.003mm 以内，合格率 100%。改进效果符合预期，保证了零件的加工质量。
4. 结束语
针对复杂结构的壳体类零件，通过优化工艺方案，重新规划工序的加工内容，使得在加工过程中因材料去除率过大而产生的应力提前释放，使零件内部的应力重新达到平衡状态，有效控制了加工变形，最后再进行零件精密特征的加工，保证了加工质量和加工稳定性，为实现高效率和高质量的大批量生产奠定了基础。同时，通过实际案例的验证，能够更加理解把握变形的根源，并实施多维度、系统性的工艺控制，完全能够解决实际加工中的变形问题，对后续类似问题的处理也具有一定的借鉴意义。
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