數(shù)控銑削薄壁零件精密核心技術(shù)研究

張杰華

摘 要：以數(shù)控銑削薄壁零件過(guò)程中的誤差起因?yàn)檠芯炕A(chǔ)，從薄壁零件的加工的角度入手，探討了數(shù)控銑削薄壁零件加工過(guò)程中所應(yīng)用的工藝方法、走刀方式、切削參數(shù)和裝夾類型及其數(shù)控銑削薄壁零件的質(zhì)量和工作效率的影響。除此之外，還結(jié)合實(shí)例對(duì)可以提升數(shù)控銑削薄壁零件工作效率和工藝方法的措施進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑削；薄壁零件幾何誤差；變形概率

中圖分類號(hào)：TG506 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.140

1 薄壁零件加工的質(zhì)量概況

在工件工藝體系中所進(jìn)行的加工稱作切削加工。在薄壁零件的切削加工期間，對(duì)零件加工精度產(chǎn)生了影響，主要是因所用工藝體系的幾何誤差、零件的受力（熱）變形、振動(dòng)變形等引起的。由于薄壁零件有強(qiáng)韌度低的特性，因此，在進(jìn)行薄壁零件的數(shù)控銑削加工過(guò)程中，加工工件的變形會(huì)對(duì)加工工作造成較大的影響。為了盡可能地提升薄壁零件的加工精度，確保薄壁零件的加工質(zhì)量，需要最大限度地降低加工前、后的零件變形概率。

2 薄壁零件的加工難點(diǎn)

2.1 精加工困難

由于所要加工的零件普遍存在外形較大的特點(diǎn)，所以，在加工時(shí)工件會(huì)隨著夾緊力的變大產(chǎn)生一定程度的變形。

2.2 剛度低，工藝差

薄壁零件的壁都很脆弱，整體剛度較低，在加工過(guò)程中易變形。同時(shí)，在加工的過(guò)程中，由于受到工件內(nèi)殘余應(yīng)力的影響，很難保證工件的尺寸、形狀等符合要求。

2.3 零件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜

零件側(cè)壁和腹板中間存在倒角，側(cè)壁之間也有2種倒角，在加工過(guò)程中易發(fā)生加工質(zhì)量較差的現(xiàn)象。

3 加工工藝方案

眾所周知，到目前為止數(shù)控銑削加工技術(shù)的重點(diǎn)是無(wú)圖化生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)單件工件高精度加工、提高少人或無(wú)人化加工精度，這就要求數(shù)控銑削機(jī)床在速度、高速動(dòng)態(tài)精度、剛度、穩(wěn)定性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)化成都等方面均具有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。除此之外，模具三維型面加工要求機(jī)床有較好的動(dòng)態(tài)性能，我國(guó)部分公司已經(jīng)引進(jìn)了高速銑床，目前，已投入生產(chǎn)。而我國(guó)的機(jī)床廠也相繼研發(fā)出了一些準(zhǔn)高速的銑床，正進(jìn)行著高速加工機(jī)床研究。

數(shù)控技術(shù)指的是將數(shù)字、文字以及符號(hào)組成的一種數(shù)字指令，以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的高新技術(shù)。其所控制的一般是位置、角度、速度等機(jī)械量或與機(jī)械能量流向相關(guān)的開(kāi)關(guān)量。

由于條件有限，機(jī)床在加工時(shí)不能使用效果最好的銑削方法，只能在現(xiàn)有條件下進(jìn)行薄壁零件的數(shù)控銑削加工。為了提升薄壁零件的剛度，提高零件的加工質(zhì)量，在粗加工時(shí)，要預(yù)留出大于常規(guī)數(shù)量的加工余量，保證單邊留量為2 mm。同時(shí)，使用熱處理等工序來(lái)消耗工件內(nèi)的殘余應(yīng)力、切削力和切削熱引起的應(yīng)力；粗加工與精加工分開(kāi)進(jìn)行，避免加工過(guò)程中零件發(fā)生變形。

數(shù)控銑削薄壁零件的加工工藝為粗銑零件→粗銑凹槽→預(yù)留單邊→熱處理→半精銑零件→保證留量均勻→精加工側(cè)壁和腹板各個(gè)部位以及各種孔。

4 數(shù)控銑削薄壁零件的變形控制

4.1 提升薄壁零件的強(qiáng)韌程度

提升薄壁零件的強(qiáng)韌程度可以有效降低工件在裝夾期間以及后期變形的可能性，還可以適當(dāng)增加零件壁的厚度，從而起到提升工件強(qiáng)韌度的作用。為了提升薄壁零件的強(qiáng)韌程度，可以在加工時(shí)運(yùn)用加固加工的方法。所謂“加固”，就是在待加工件的內(nèi)部添加一些比較容易去除的物質(zhì)，從而提升工件的強(qiáng)韌程度。比如，可以在代加工件的內(nèi)部澆筑一些石蠟、石膏或溶沸點(diǎn)較低的合金。但在加工時(shí)，一定要選擇合適的冷卻液，避免冷卻液溶解工件內(nèi)的填充物。薄壁零件的強(qiáng)韌程度與工件自

身的性質(zhì)結(jié)構(gòu)以及加工過(guò)程中的定位夾緊方法、裝夾的位置、裝夾的夾緊力有關(guān)。增大工件與工裝之間的接觸面積可提高工件接觸面的強(qiáng)韌程度。除此之外，對(duì)于提升工件工藝的強(qiáng)韌程度，除了可適當(dāng)增加工件與工裝之間接觸面的堅(jiān)硬程度，還可以通過(guò)使用一些彈性較高的模量材料實(shí)現(xiàn)。

4.2 規(guī)劃合理的工藝流程

具體的工藝特點(diǎn)如表1所示。

在對(duì)薄壁零件進(jìn)行數(shù)控銑削加工時(shí)，裝夾的加緊力度一定要依照最大的切削量確定。這樣做不僅能確保在任何切削力做工的情況下，都能夠?qū)Ρ”诹慵€(wěn)定加工；同時(shí)，還可以降低零件加工過(guò)程中的變形機(jī)率。按照薄壁零件的加工精度要求看，對(duì)于加工精度比較高的薄壁零件，尤其是去除大量用料的狀況下，應(yīng)采用“先粗后精”或“粗-精-精”的加工方法。

在進(jìn)行粗加工時(shí)，要選用的夾緊力、切削量均較大，粗加工在一定程度上為后期的精加工作了鋪墊。為了更好地提升薄壁零件的穩(wěn)定性，要在粗加工和精加工的間歇過(guò)程中盡量消除器械的殘余應(yīng)力。在精加工時(shí)，為了降低工件變形的可能性，則盡可能減小切削力。除此之外，在薄壁零件精加工時(shí)，最好使用高速的數(shù)控銑削方法。

4.3 確定合理的加工順序和走刀方案

合理的加工順序不僅有利于降低薄壁零件在加工過(guò)程中變形的概率，保證薄壁零件的加工質(zhì)量，還有利于加工人員良好控制工件裝夾時(shí)堅(jiān)韌強(qiáng)度的變化。在選擇薄壁零件的加工順序時(shí)遵循的原則是在工件便利、選位可靠、裝夾夾緊力符合要求的情況下，盡量減少用料，降低工件強(qiáng)韌度減弱的速度。在整個(gè)切削過(guò)程中，只有保證這兩者處于最佳狀態(tài)，才可能降低薄壁零件加工過(guò)程中的變形概率。

在薄壁零件加工的過(guò)程中，走刀方法對(duì)薄壁零件的加工功率、工件的變形概率有很大的影響。不同的走刀方法對(duì)加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的釋放順序有一定的影響。由于受到加工過(guò)程中切削力及其產(chǎn)生的熱量的影響，會(huì)產(chǎn)生一些新的應(yīng)力，而不同路徑的走刀方法則會(huì)使那些新產(chǎn)生的應(yīng)力和工件中原有的應(yīng)力結(jié)合，最終導(dǎo)致工件產(chǎn)生不同程度的變形。

在選擇加工路徑時(shí)，應(yīng)選擇可以對(duì)稱切削毛坯的路徑，采用分層分布切削的方法，并加大切削量，做到一次性大量切除。在對(duì)腹板進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)使用環(huán)切的走刀方法。如果腹板的面積較大，則可以使用分步環(huán)切的走刀方法。除此之外，在數(shù)控銑削薄壁零件的過(guò)程中，通常使用順銑的加工方法和平滑的走刀路徑，以減少路徑中的需要急速轉(zhuǎn)彎的路段。在一些轉(zhuǎn)角處可安裝過(guò)渡圓弧，從而相應(yīng)地減緩走刀速度。在走刀時(shí)，應(yīng)注意使刀具在水平方向切削工件，平穩(wěn)進(jìn)行，避免因切削力度過(guò)大或其他人為因素導(dǎo)致刀具損壞。

4.4 優(yōu)化參數(shù)

在數(shù)控銑削薄壁零件的加工中對(duì)切削參數(shù)的選擇關(guān)系著切削力和切削熱量。在確定切削參數(shù)時(shí)，要綜合考慮刀具的用料、工件的用料、機(jī)床的能力等因素。在數(shù)控銑削薄壁零件加工的過(guò)程中，銑削量的大小與工件的加工功率、刀具的使用年限、作工的費(fèi)用以及成件質(zhì)量密切相關(guān)。在加工過(guò)程中，合理的銑刀每齒進(jìn)給量是決定成件質(zhì)量、提升工作效率、降低刀具磨損程度的關(guān)鍵所在。切削力度大小的改變可通過(guò)調(diào)節(jié)銑刀每齒進(jìn)給量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在數(shù)控銑削薄壁零件的過(guò)程中，各種切削參數(shù)需要滿足以下各種關(guān)系式：

式（1）（2）（3）中：Vf為進(jìn)給速度，mm/min；n為主軸的轉(zhuǎn)速，r/min；z為銑刀的齒數(shù)；fz為銑刀每齒進(jìn)給量，mm/齒；V為切削速度，m/min；D刀具直徑，mm；η為材料去除比例，mm3/min；ap為銑削深度，mm；ae為銑削寬度，mm。

一般而言，銑刀的每齒進(jìn)給量是由薄壁零件的加工質(zhì)量要求、工件和刀具用料確定的。在對(duì)工件進(jìn)行粗加工時(shí)，銑刀的每齒進(jìn)給量可選得大一些，這樣可以提供高加工的工作效率。此外，在進(jìn)行粗加工時(shí)，選用的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度一般較慢，而選用刀具的尺寸較大，這樣也可以提升加工效率。

在對(duì)薄壁零件進(jìn)行精加工時(shí)，為了提高工件的加工質(zhì)量，一定要選擇合適的銑刀每齒進(jìn)給量。選用比較快的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及直徑比較小的刀具工藝參數(shù)等。只有這樣，才能最大限度地確保加工質(zhì)量。在確定主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，還要要考慮機(jī)床的承受能力、工件的用料、刀具的等因素對(duì)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的影響。影響刀具使用年限的主要因素是加工時(shí)的切削速度，比如，速度過(guò)快的切削會(huì)大大縮短刀具的使用年限。加工時(shí)的銑刀每齒進(jìn)給速度應(yīng)與切削速度完美結(jié)合，過(guò)快的進(jìn)給速度會(huì)導(dǎo)致加工質(zhì)量降低，過(guò)慢的進(jìn)給速度則會(huì)降低加工效率。此外，速度過(guò)快會(huì)加劇刀面損壞，降低加工質(zhì)量。

4.5 優(yōu)化裝夾策略

首先，要確定工件的定位方式、加緊方式以及合理的定位支承面。其中，定位支承面要選擇那些工件比較大的曲面（或平面）。與此同時(shí)，還要使工裝與工件之間的定位接觸面盡量擴(kuò)大。適當(dāng)提高工件定位面處的加工精度，增大工件與工裝之間的接觸面積，提升接觸面的強(qiáng)韌程度，杜絕逆力切削現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)于那些強(qiáng)韌程度比較低的薄壁零件，在定位時(shí)一般使用超定位的方法，尤其是在強(qiáng)韌程度相對(duì)較弱的區(qū)域，更要加大支撐力度，提升工件的工藝強(qiáng)度，降低工件加工過(guò)程中變形的概率。在使用超定位方法時(shí)，需要注意的是，要使各個(gè)定位面與超定位之間有足夠的匹配精度，否則將會(huì)定位失敗，甚至造成零件損壞。

在確保零件加工過(guò)程中可靠夾緊符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，盡可能地選用力度較小、分布均勻的夾緊力，并增加夾緊點(diǎn)的數(shù)量、加大夾緊力的作用面。在工件強(qiáng)韌程度比較好的區(qū)域，應(yīng)施用夾緊力，使夾緊力的方向與定位面相互垂直。對(duì)于形狀較為規(guī)則的零件，要使用夾具和支撐均勻分布的加工方案。

綜上所述，在工件加工的過(guò)程中，如果已經(jīng)確定了加緊方式，做好了定位，則要將“遺傳”與“有限元”方法結(jié)合起來(lái)，以加工時(shí)最大的形變?yōu)槟繕?biāo)函數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的優(yōu)化模型，并以此模型為基礎(chǔ)對(duì)工件進(jìn)行加工，將工件夾緊點(diǎn)的位置和夾緊力的大小實(shí)現(xiàn)同步優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了確保數(shù)控銑削薄壁零件的加工質(zhì)量，相關(guān)工作人員在加工時(shí)，要盡可能地降低零件變形的可能性，減少初始?xì)堄鄳?yīng)力。同時(shí)，還要注意對(duì)切削參數(shù)、切削工藝的選擇，并選擇合理的加工計(jì)劃，從而更好地提升薄壁零件的強(qiáng)度。其中，在選擇切削參數(shù)時(shí)，要考慮相關(guān)的切削功率、切削深淺和寬窄等因素對(duì)加工的影響。除此之外，工作人員還要結(jié)合實(shí)際的加工要求，確定好裝夾工藝，以降低裝夾變形、加工期間變形的概率，從而提升成件質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕