◇駐宜昌地區(qū)軍事代表室 胡曉峰
薄板類零件有著厚度薄、重量輕、強(qiáng)重比高等突出特點(diǎn),被大量應(yīng)用于軍工制造領(lǐng)域。然而,正是由于其厚度較薄,導(dǎo)致切削剛度低,在機(jī)械加工過(guò)程中工件極容易產(chǎn)生變形,從而導(dǎo)致較大加工誤差。本文首先討論了此類零件的加工特點(diǎn)及不良影響,然后分析了其加工精度的關(guān)鍵影響因素,最后提出了相應(yīng)的改善措施。
隨著我國(guó)新型工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)產(chǎn)品使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高。對(duì)于軍工制造領(lǐng)域而言,對(duì)零部件的設(shè)計(jì)和制造加工要求也越發(fā)嚴(yán)苛,在滿足強(qiáng)硬度的基礎(chǔ)上應(yīng)該盡可能變得輕薄,因此大量薄板類大型結(jié)構(gòu)件被使用在這些產(chǎn)品中。薄板類零件具有尺寸大、厚度薄、加工精度要求高及復(fù)雜的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系等典型特點(diǎn)[1]。正是由于其較薄的厚度,使得其加工剛度穩(wěn)定性低,難以滿足其高精度的需求,往往需要采用特別的加工手段,為機(jī)械加工工藝提出了新的挑戰(zhàn)[2]。然而,現(xiàn)階段這類薄板件的生產(chǎn)制造依然很大程度上仍然依賴數(shù)控銑削加工[3]。在銑削加工過(guò)程中,由于切削力的加載、自身呈現(xiàn)的弱剛性以及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差等多方面因素使得薄板類零件會(huì)呈現(xiàn)較大的讓刀變形,不可避免的造成加工誤差,從而導(dǎo)致零件尺寸超差達(dá)不到使用要求。這些挑戰(zhàn)不僅會(huì)制約產(chǎn)品的生產(chǎn)制造還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品更新?lián)Q代出現(xiàn)滯后。綜上所述,為了滿足薄板類零件較高加工精度的要求并提高生產(chǎn)率,需要進(jìn)一步研究加工變形的影響因素及改善方法。
薄板類零件由于其結(jié)構(gòu)形狀、材料特性,有著不同的加工特性,可以從以下三個(gè)維度進(jìn)行總結(jié):①形狀結(jié)構(gòu)特性薄板類零件長(zhǎng)度和寬度方向的尺寸往往較大,而厚度相對(duì)較薄,在銑削加工過(guò)程中,厚度方向的物料被去除導(dǎo)致加工剛度越來(lái)越低,加工質(zhì)量難以保證;②材料特性此類零件往往要求較高的強(qiáng)重比,因而常采用合金材料,此類合金材料的加工變形較為突出;③使用特性為保證此類零件的使用要求,其尺寸精度和配合精度往往要求較高,提高此類零件的加工及配合精度是提高使用性能的關(guān)鍵。
切削加工過(guò)程的實(shí)質(zhì)是加工系統(tǒng)中各部分之間力和剛度的較量。在銑削加工過(guò)程中,由于切削力的加載、自身呈現(xiàn)的弱剛性以及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差等多方面因素使得薄板類零件會(huì)呈現(xiàn)較大的讓刀變形,不可避免的造成加工誤差,從而導(dǎo)致零件尺寸超差達(dá)不到使用要求。這一現(xiàn)象在待加工工件厚度很薄時(shí)顯得尤為突出,此時(shí)工件變形對(duì)切削力的變化較為敏感,嚴(yán)重的情況下,還未等到零件加工完成,工件已經(jīng)產(chǎn)生了較大的加工誤差,無(wú)法滿足預(yù)期加工精度。
事實(shí)上薄板類零件加工是一個(gè)復(fù)雜彈塑性變形過(guò)程[4],影響其加工精度的主要因素為切削力、工件材料以及加工工藝等,接下來(lái)分別從這三方面進(jìn)行分析。
在薄板類零件的加工過(guò)程中,切削力和加工系統(tǒng)剛度不斷較量,此類零件較低的加工剛度使得加工系統(tǒng)剛度處于下風(fēng)。切削力不但加載會(huì)使工件產(chǎn)生較大的變形,還會(huì)使刀具產(chǎn)生變形;此外,加工完成后工件會(huì)也發(fā)生彈性變形。這一系列復(fù)雜的耦合變形使得由切削力導(dǎo)致的加工誤差難以準(zhǔn)評(píng)估。
薄板類零件往往要求具備較高的強(qiáng)重比,因此工件材料一般是鋁合金、鈦合金等“軟”材料,此類材料有著比強(qiáng)大、楊氏模量小等特點(diǎn)。這意味著其抗變形能力差,對(duì)切削力的抵抗力弱,而且當(dāng)零件尺寸較大時(shí),這個(gè)缺點(diǎn)會(huì)被進(jìn)一步放大,從而導(dǎo)致加工誤差進(jìn)一步擴(kuò)大,不能滿足要求。
加工工藝從多個(gè)方面影響薄板類零件的加工精度。首先,加工工藝確定了工件的裝夾方式,不合理的裝夾方式會(huì)使零件加工精度下降,并且由于此類零件厚度較薄夾緊力也會(huì)引起工件變形。然后,加工工藝也會(huì)決定走刀路徑和走刀次數(shù),不同的刀路徑及走刀次數(shù)會(huì)使加工變形分布不一致,從而影響加工精度。最后,加工工藝決定工藝參數(shù),工藝參數(shù)不同加載的切削力也會(huì)不同,因此工件產(chǎn)生的加工變形和彈性變形也會(huì)不一致。
基于上述分析,在加工的工件一定時(shí),加工工藝是影響薄板類加工精度的主要因素,優(yōu)化加工工藝在一定程度上可以改善加工變形的發(fā)生,從而提高此類零件的加工精度。
下面從優(yōu)化加工工藝參數(shù)及實(shí)施加工誤差補(bǔ)償策略兩個(gè)方面分別進(jìn)行討論。
(1)優(yōu)化工件裝夾方式。由于薄板類零件自身剛度低,裝夾力也會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生變形從而影響加工精度,通過(guò)優(yōu)化裝夾方式可改善裝夾力,從而減小裝夾對(duì)工件的影響。一方面可以通過(guò)實(shí)切實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳方案;另一方面也可以建立有限元模型,模擬不同裝夾方式下的工件加工變形分布,并從中選取最優(yōu)方案。
(2)優(yōu)化走刀路徑。首先,擬定滿足加工條件的多個(gè)走刀方案,然后利用實(shí)驗(yàn)或有限元的方法獲得不同方案的加工變形分布,最后選擇協(xié)調(diào)加工變形和加工效率的最優(yōu)走刀路徑。
(3)優(yōu)化工藝參數(shù)。由于優(yōu)化工藝參數(shù)需要大量數(shù)據(jù)支撐,可以采用有限元法探究工藝參數(shù)對(duì)工件加工變形量的影響。然后采用極差分析法[5]對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,以確定各工藝參數(shù)對(duì)工件加工變形量的影響成都度。最后根據(jù)分析結(jié)果獲得零件銑削工藝參數(shù)的最佳組合。
上述方法一定程度上可控制加工變形量,從而減少加工誤差,但其改善效果有限,仍然有一部分材料由于彈性變形而無(wú)法被去除。
事實(shí)上,薄板類零件的加工誤差與切削過(guò)程密切相關(guān),隨著名義切削深度的增加加工變形也會(huì)增加,由此造成的加工誤差與名義切深的選擇有關(guān)且存在著非線性函數(shù)關(guān)系[6]。因此,需要選擇更加合適的名義切深,使得實(shí)際切削深度更加接近設(shè)計(jì)余量,以實(shí)現(xiàn)加工誤差。首先,在刀具原走刀的基礎(chǔ)之上,按照變形程度和機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差為每個(gè)加工補(bǔ)償點(diǎn)確定額外的刀具附加的偏擺量,來(lái)補(bǔ)償因回彈和機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差導(dǎo)致的加工誤差;然后,通過(guò)數(shù)控補(bǔ)償技術(shù),一次走刀將殘余材料切除,以提高薄板件的加工精度。
實(shí)施加工誤差補(bǔ)償策略兼顧了工件變形導(dǎo)致的彈性誤差和機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)誤差,因而可以進(jìn)一步提高此類零件的加工精度。
薄板類零件由于自身的弱剛性會(huì)引起工件變形,產(chǎn)生較大加工誤差,給生產(chǎn)實(shí)踐帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。為此,本文分析了薄板類零件的加工特點(diǎn)及不良影響,然后分析了切削力、工件材料以及加工工藝等關(guān)鍵因素對(duì)其加工精度的影響,基于此提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化改善措施,對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有一定指導(dǎo)意義。