普通機床一刀成形加工薄壁零件

李 明，吳志鵬，牛美英

（邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

目前薄壁零件數控加工，主要采用高速加工技術。為了保障薄壁零件有效加工，在工藝設計階段，采用有限元分析技術，獲取薄壁零件變形區域，采用數控補償技術加以修正，以保證加工的精度；優化切削參數和加工路徑，以減小變形；通過開發特制刀具及改造機床（如雙主軸機床等），來解決變形問題；通過新的裝夾方案和架構調整，來增強薄壁零件的剛度等措施。由于工藝的保密性，相關技術資料只涉及了問題的表層部分，薄壁零件加工技術的獲取，并沒有隨著高速加工機床的引進而得到解決。薄壁零件的數控加工的關鍵技術，還要靠自己的努力發展去解決。

1 薄壁零件加工工藝關鍵技術

薄壁零件是指壁厚與內徑曲率半徑（或輪廓尺寸）之比小于1:20的零件。薄壁零件的共同特點，是壁薄、強度低、抵抗變形能力差，但并不表示薄壁零件在常態下，就會發生塑性變形，其有一定的彈性力，在某些特殊復雜的環境中，發揮其的重要作用，也可以說薄壁零件處于彈性變形階段。

為了更好地理解薄壁零件的加工特點，我們可以將其分解成若干小段的桿件組成，即薄壁零件彈塑性變形的受力分析微分化處理。首先假設桿件處于靜定梁狀態，兩端承載力是無限大，來源于薄壁零件支撐點的承載力，從塑性分析中，我們得知靜定梁的中間部位最為嚴重，若刀具切削薄壁零件時，判斷薄壁方向切削力F小于零件材料極限載荷

則未引起靜定梁的變形，單個的靜定梁處于彈性階段。若每個小的靜定梁單元是穩定的，薄壁零件作為整個系統也是穩定的，所以切削力F小于極限載荷FP的情況下，假設成立。

根據切削力F小于極限載荷FP的條件，來求解薄壁零件壁厚的最大切削量。根據最大切削量加工和加工精度要求，選擇合適精加工余量，那么薄壁零件始終保持彈性變形階段，實現薄壁零件數控加工一刀成形，從而提高加工效率。

2 切削力數學模型

實驗證明，在機床加工系統和刀具幾何參數確定的前提下，加工切削力F主要受到切削速度（或主軸轉速）n、進給速度νf、背吃刀量ap和切削寬度（或切削高度）ae等因素的影響，且基本上成線性關系。

我們首先將相關實驗數據，列成切削速度（或主軸轉速）n、進給速度νf、背吃刀量ap和切削寬度（或切削高度）ae以及切削力F的正交實驗數據表格，應用多元線性回歸分析方法，建立切削力的預測模型和表面粗糙度的預測模型。

切削力

4 薄壁零件最大切削量

當薄壁零件處于臨界條件時，背吃刀量ap取值為最大切削量apmax，

切削力為

極限載荷為

其中，

b為刀刃切削寬度在薄壁法線方向的投影；

h為薄壁零件的壁厚；

l為薄壁相鄰支撐點的跨度；

σs為材料屈服極限。

則臨界狀態

薄壁零件壁厚的最大切削量計算得

根據薄壁零件壁厚的最大切削量和零件精度的要求，選擇合適精加工余量，實施薄壁零件最后一道切削加工。

5 仿真研究

圖1為3Cr2Mo注塑模具鋼零件的壁厚為2 mm的薄壁部分結構圖，長100 mm，表面粗糙度為Ra=1.6 μm，尺寸公差等級為IT8級。

圖1 壁厚為2 mm的薄壁零件部分結構圖

實驗條件：銑削平面，材料3Cr2Mo注塑模具鋼（調質，硬度 HRC28～30）。

刀具為直徑10 mm，螺旋角30°，雙刃，直柄整體式硬質合金平頭立銑刀，TiAIN涂層。

實驗結果如表1所列。

銑削平面（3Cr2Mo注塑模具鋼）的數學模型為分列如下：

表1 實驗結果表

X向切削力

表面粗糙度

Y向切削力

Z向切削力

根據表面粗糙度和加工公差等級，我們選擇粗銑－精銑的加工工藝方案。

工藝參數為：

背吃刀量為ap=0.1 mm；

轉速n=2 000 r/min；

進給速度νf=100 mm/min；

切削深度為ae=4 mm；

由薄壁法線方向受力公式

可以求解得：

切削力FX=75.132 1 N，

表面粗糙度Ra=0.24 μm，

符合加工粗糙度要求。

根據薄壁零件塑性變形的臨界條件，其中材料3Cr2Mo注塑模具鋼屈服極限

當前加工工藝參數下，薄壁零件極限載荷為：

大于切削力FX=75.132 1 N，

薄壁零件在加工中處于彈性變形階段。

計算薄壁零件壁厚的最大切削量為：

因為apmax＞ap，所以上述加工工藝方案可行。若進一步提高加工效率，可以增加進給速度和切削深度。

6 結束語

一刀成形工藝，解決了目前薄壁零件依賴高速加工技術的高成本和技術難題，大大降低了薄壁零件加工成本，提高了效率。同樣“一刀成形”工藝的提出，為普通數控機床實現薄壁零件高效率加工的提供了可行性方案。

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