淺談薄壁類(lèi)零件高效銑削加工方式

謝蓓

摘 要：航空零部件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、精度要求高和制造工藝性差等特點(diǎn)，在切削力作用下極易產(chǎn)生變形而引起表面誤差，嚴(yán)重影響加工精度，是近年來(lái)航空制造技術(shù)中比較突出的問(wèn)題之一。該文通過(guò)理論研究總結(jié)并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)典型薄壁零件加工效果分析論證，對(duì)工件裝夾、定位方法、工藝加工方法、刀具路徑優(yōu)化進(jìn)行探討，尋找薄壁類(lèi)零件高效銑削加工方式。

關(guān)鍵詞：薄壁件；刀具路徑；高效銑削

中圖分類(lèi)號(hào)：TG506 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 變形原因分析

薄壁類(lèi)零件加工變形產(chǎn)生的原因很多，與毛坯內(nèi)應(yīng)力、毛坯形狀、刀具材料、刀具幾何角度、刀具剛度和磨損、夾緊力、定位精度、夾緊位置、機(jī)床精度、機(jī)床剛性、切削參數(shù)（包括切削深度、切削速度、進(jìn)給量）、零件材料和結(jié)構(gòu)、刀具路徑、加工順序、冷卻液、環(huán)境等因素都有關(guān)系。這些因素中起主導(dǎo)作用的也有所不同，產(chǎn)生的加工變形形式與變形程度也會(huì)有些交互影響，其中以切削力、切削熱、切削振顫的影響最為嚴(yán)重，是造成大部分零件加工變形，尺寸超差，裝配失效的主要因素。

2 解決零件加工變形的有力措施

2.1 刀具路徑優(yōu)化

通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證可以發(fā)現(xiàn)，零件壁厚與零件整體剛性成正比，即隨著零件壁厚降低零件剛性也降低。而在機(jī)械加工中均會(huì)隨著不同程度得到切削振動(dòng)，當(dāng)零件剛性不足時(shí)，會(huì)加速和加重這種切削振顫，極大地影響零件的加工精度和加工質(zhì)量。

為了使切削過(guò)程具備穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)，保證加工質(zhì)量，一般普遍采用而且最為有效的方法就是從刀具路徑優(yōu)化著手。主要方法有：第一，合理安排切削加工順序，配合粗、半精、精加工方式合理選擇各個(gè)加工平面順序，選擇相對(duì)盡可能少的走刀路徑、換刀次數(shù)、裝夾次數(shù)；第二，銑削復(fù)雜型腔或鏤空面積較大的零件時(shí)，可以先將零件未銑削部分做為正在銑削部分的支撐面，這種分步銑削的方式可以有效提升復(fù)雜型面的加工剛性；第三，在切削參數(shù)方面，采用大徑向切深、小軸向切深的分層銑削方式，特別是在一些深腔底面和側(cè)面加工中，采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、小切削深度參數(shù)設(shè)定的方式，可以有效提升切削加工穩(wěn)定性，使刀具、工件、機(jī)床三者達(dá)到一個(gè)相對(duì)較優(yōu)的平衡，提高切削過(guò)程的剛性和穩(wěn)定性。

2.2 采用高速銑削方式

高速切削加工工藝和傳統(tǒng)切削加工工藝主要的區(qū)別體現(xiàn)在一些切削參數(shù)差異。傳統(tǒng)切削一般采用低轉(zhuǎn)速、大切深、小進(jìn)給、往復(fù)加工的方式，而高速切削則一般采用高轉(zhuǎn)速、中切深、大進(jìn)給的銑削方式。由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術(shù)同時(shí)還具有如切削力小、材料切除率高、熱變形小、加工精度高和加工效率高5個(gè)優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 切削力小

由于采用小切削量、高切削速度參數(shù)，使切削力相對(duì)減少了30%以上，同時(shí)零件徑向切削力的減幅會(huì)尤其明顯，可以有效減少日常的刀具磨損，提高刀具使用壽命。

2.2.2 材料切除率高

切削速度和進(jìn)給速度都大幅度提高，相應(yīng)的材料切除率也幅提升。

2.2.3 工件熱變形小

高速切削可以通過(guò)切屑高速流出的方式帶走一部分來(lái)不及傳給零件的切削熱，所以零件本身不會(huì)由于溫度過(guò)高而導(dǎo)致熱變形，同樣可以得到較高的表面精度。

2.2.4 加工精度高

高速切削的小進(jìn)給量和小切削力可以有效降低加工振動(dòng)，使加工系統(tǒng)更為平穩(wěn)，從而獲得較高的尺寸精度和較好的表面粗糙度。

2.2.5 加工效率高

高速切削可以縮短整體加工時(shí)間，提升能源和設(shè)備的利用率。

2.3 工藝方法優(yōu)化

以結(jié)構(gòu)形式可以將零件分為2大類(lèi)，分別是側(cè)面帶有輔助支撐和側(cè)面無(wú)輔助支撐薄壁零件，其工藝優(yōu)化主要方法也有所區(qū)別。

2.3.1 側(cè)面帶有輔助支撐薄壁零件

為了解決裝夾力和切削力引起的此類(lèi)零件加工變形問(wèn)題，可以銑削貼合零件內(nèi)腔型面的簡(jiǎn)易工具作為內(nèi)部支撐；也可以利用材料熔點(diǎn)低于待加工薄板的材料或者石膏澆注入薄壁結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)，填補(bǔ)待加工零件的型腔，同時(shí)輔助常規(guī)的通用工具進(jìn)行裝夾，有效防止零件內(nèi)縮變形、應(yīng)力釋放不均導(dǎo)致的切削變形。

2.3.2 側(cè)面無(wú)輔助支撐薄壁零件

對(duì)于側(cè)面無(wú)輔助支撐或在內(nèi)腔區(qū)域不能添加輔助支撐的薄壁零件，可以利用零件未加工部分作為支撐的優(yōu)化方案，合理地調(diào)整工藝路線(xiàn)，將側(cè)面鏤空區(qū)域或者需要去除的部分安排在粗加工和半精加工后、安排在重要表面或者內(nèi)腔加工完畢之后再進(jìn)行大面積支撐材料去除加工，這樣可以保證銑削內(nèi)腔或者零件重要表面時(shí)，零件處于剛性可靠和切削平衡狀態(tài)。在銑削路徑上，要避免重復(fù)性的刀具軌跡，采用粗加工分層銑削，讓?xiě)?yīng)力均勻釋放；進(jìn)刀路徑采用斜下刀方式也可以減少垂直分力對(duì)進(jìn)刀區(qū)域的壓力，避免加工變形。

3 典型薄壁零件銑削加工分析

3.1 零件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某薄壁板類(lèi)零件，外形尺寸239.4 mm×147.5 mm

×22 mm，四周側(cè)面和內(nèi)腔都存在凸臺(tái)和型孔，側(cè)面和底面壁薄最薄處僅為1 mm，零件在上下2個(gè)側(cè)面和左右側(cè)面上都有較重要的M3、M2.5螺紋安裝孔。推測(cè)零件在銑削內(nèi)腔時(shí)，可能會(huì)由于內(nèi)腔銑削余量較大且側(cè)面有一處鏤空而極易產(chǎn)生張力和殘余應(yīng)力，極易加工變形，出現(xiàn)中間鏤空部分會(huì)鼓出與四周壁薄不均勻的問(wèn)題。

3.2 工藝路線(xiàn)、刀具路徑分析

針對(duì)該零件結(jié)構(gòu)情況，采用工藝路線(xiàn)如下：

①下料→②去應(yīng)力→③銑外形→④銑一側(cè)面凹槽，鉆螺紋孔底孔→⑤銑另一側(cè)面凹槽，鉆螺紋孔底孔→⑥銑反面臺(tái)階面，鉆孔→⑦粗銑正面，底面、側(cè)面均各留2mm余量→⑧去應(yīng)力→⑨精銑外形及內(nèi)腔，銑側(cè)面開(kāi)口槽，鉆孔→⑩去毛刺，擴(kuò)孔，攻螺紋，校平。

3.3 總結(jié)工件加工效果

由于在加工之前對(duì)零件的性能、結(jié)構(gòu)和可能發(fā)生變形的區(qū)域做了預(yù)測(cè)分析，所以在工藝路線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)采用了粗、精分層加工，充分考慮了殘余應(yīng)力對(duì)零件變形的影響，先后進(jìn)行2次去應(yīng)力熱處理，可以有效地去除加工應(yīng)力。而對(duì)于工件壁薄只有1mm，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)壁薄不均勻的問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用了先粗、后精銑工件內(nèi)腔，最后再精銑工件兩側(cè)開(kāi)口槽的方式，主要就是利用工件未加工部分作為支撐側(cè)面零件能有一定的支撐力，防止先期切削變形。通過(guò)以上工藝方法進(jìn)行試驗(yàn)加工，工件尺寸能夠有效保證在公差內(nèi)，有效改善加工變形，提高了整體加工質(zhì)量，為此類(lèi)薄壁零件高效銑削方式的進(jìn)一步探索提供了可靠依據(jù)。

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