薄壁框體零件數控銑削加工變形工藝控制策略

劉宏，張永

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900)

現代產品制造過程中，由于產品減重等因素，許多零部件設計為薄壁結構。由于薄壁零件具有低剛度的特點，在銑削過程中，工件變形是構成加工誤差的主要因素[1]。對于薄壁零件的精密數控銑削加工，保證加工質量的關鍵是減小和控制加工中的零件變形。如何采用有效措施控制或減少薄壁零件的加工變形、保證加工質量是一個亟待解決的問題。近年來，雖然有大量學者針對薄壁零件的加工變形分析與控制做了相當多的理論分析與研究，也取得了一定的成果。但由于實際加工過程本身的復雜性，許多實際問題需根據產品特點與加工條件來采取不同的變形控制方法[2]。加工薄壁零件采用高速銑削是最好的，然而，高速銑削受機床條件的限制，目前大多數情況下仍采用普通數控銑削加工薄壁零件，依靠工藝策略控制加工變形來達到設計要求。作者針對某大型精密儀器上的一個薄壁框體零件，采用工藝變形控制實現其在普通數控銑削機床上的精密加工。

1 零件結構特點及加工難點

1.1 零件結構特點

圖1中的儀表盤是某大型精密儀器上的一個重要零件，該零件材質為硬鋁，外徑為700 mm，其外邊緣、內部各筋條以及腹板厚度均為2 mm，側壁轉角有R3與R5 兩種，底面轉角為R2，其結構屬于薄壁框體類零件。

圖1 儀表盤結構圖

1.2 加工難點分析

(1)精加工時裝夾困難。由于工件外徑較大、腹板及壁較薄，在夾緊力的作用下容易產生變形，且加工后的區域在裝夾過程中易損傷、易變形。

(2)零件剛度弱，加工工藝性差。零件壁薄、筋細，整體剛性較差，在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，很容易產生振動和變形，同時加工過程中產生內應力，難以保證工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

(3)零件的結構較為復雜，側壁與腹板之間有R2的倒角，側壁之間有R3 和R5 兩種倒角，加工時會出現圓角處加工質量和精度不易控制等現象。

2 加工工藝方案

由于受機床條件限制，不能采用最優的高速銑削，只能在普通數控機床上銑削該薄壁框體零件。為了避免精加工時零件的整體剛度太低，粗加工后所預留的加工余量比常規工件大，單邊均留量2 mm。同時合理安排熱處理工序來消除和減少毛坯內殘余應力、切削力和切削熱產生的應力。在加工薄壁結構零件的過程中，因應力釋放極易變形，常將粗、精加工分開進行，并在粗加工后進行去應力處理。

數控銑削該零件的總體工藝方案為:粗銑各面→粗銑凹腔，單邊留量2 mm→熱處理→半精銑各部位，保證各面以及轉角的留量達到均勻→精加工側壁與腹板各部位及各種孔。

3 加工變形工藝控制策略

數控粗精銑削過程中，影響工件變形的因素很多，如:工件定位夾緊形式、加工以及編程策略、刀具與切削參數等。對這些因素很難進行定量判定，且隨著加工的進行不斷變化，因素對變形的影響也在不斷變化。因此，從引起變形的原因入手，采取相應的工藝方法，盡量減小加工變形，滿足設計要求。

3.1 裝夾定位變形的控制策略

合理選取薄壁框體零件的裝夾定位方式，能夠減輕和控制工件銑削時的裝夾變形、加工變形和振動。裝夾定位方式要根據零件的結構特點來選取。

3.1.1 定位面的選取

針對薄壁框體零件，在選取工件定位面時盡可能選擇大的平面作為定位面，保證工裝與工件的定位接觸面積盡可能大，確保工件定位面與夾具基準自然、致密貼合，提高接觸剛度[3]。針對圖1所示的工件底面是一平面，選取底面作為定位面，與夾具的定位平臺緊密貼合。

3.1.2 裝夾布局

對于薄壁框體零件，裝夾布局的原則是保證工件在加工過程中可靠夾緊的前提下，采用盡可能小的、均布的夾緊力，適當增加夾緊點的數目和增大夾緊力的作用面積;對于形狀規則的工件，盡量采用夾具與支撐呈對稱且較均勻分布的方案[3－4]。

針對圖1所示的儀表盤的結構特點，分區域裝夾，并使用通用壓板。為了增大夾緊力的作用面積、保護已加工表面、減少加工振動、克服裝夾力引起的變形，在壓板與零件之間設計一種橡膠墊鐵來輔助壓緊裝夾。

圖2為定位裝夾示意，圖3為精加工夾具布局示意。

圖2 工件定位裝夾示意

圖3 精加工裝夾布局示意

3.2 加工過程控制策略

3.2.1 刀具

由于薄壁零件的剛性差，選擇刀具的結構及幾何參數時應從減小切削力和切削熱、有利于提高切削的穩定性和加工效率、保證加工精度和表面質量來綜合考慮。采用整體硬質合金刀具來銑削上述薄壁零件。粗加工時為了提高加工效率，一般選用直徑偏大的銑刀，根據圖1所示零件的結構，選用φ20 硬質合金立銑刀。精加工時使用小一點的刀具以減小切削阻力，減少零件變形，選用φ10 立銑刀精銑各腹板面，并采用φ6 立銑刀精銑各側壁以及清根處理。在刀具齒數的選擇上，為了利于排屑，在粗加工中選擇梳齒銑刀;而精加工時選擇密齒銑刀，有利于提高工件表面光潔度。

3.2.2 凹腔加工策略

3.2.2.1 進刀與走刀策略

在薄壁的銑削加工過程中，采用較大的軸向切深和較小的徑向切深，可使切削過程處在剛性較佳的狀態[5]。采用環切方式加工引起工件腹板變形最小[6－7]。因此，加工凹腔時，銑刀從凹腔的中間位置以螺旋線方式下刀以減少垂直分力對腹板的壓力，在深度方向銑到尺寸，再從中間向四周以環切方式擴展至側壁加工余量。進刀和走刀示意見圖4。

圖4 進刀和走刀示意圖

此外，數控銑削一般采用順銑加工方式。順銑削時垂直分力始終向下，方向不變，具有壓緊工件的作用，銑削較平穩;順銑時刀刃切入工件是從厚處到薄處，刀刃切入容易，并且在刀刃切到已加工面時，對已加工面的擠壓摩擦也小，能較好地控制該腔體的內腔尺寸精度。

3.2.2.2 間隔加工法

為了保證在加工過程中應力均勻地釋放，控制加工變形，保證工件的平面度，凹腔加工的整體布局上采用間隔加工的方法。圖5為凹腔間隔加工法的走刀軌跡示意。

圖5 間隔加工法刀具軌跡圖

3.2.3 側壁加工的余量銑削法

由于薄壁框體類零件往往加工去除量大，粗加工一般采用較大直徑刀具，這樣在側壁圓角處就留有較大留量。為了保證精加工側壁的表面質量，在拐角處盡量避免用刀具半徑直接靠，避免換向時產生短暫的停頓現象和刀具振動對工件表面質量產生影響[8]。因此，在側壁加工過程中，采用余量銑削法，保證精加工前的加工余量均勻，以致基本保證等體積切削，從而使精加工切削力保持恒定。余量銑削法，即在粗加工之后、精加工之前，對工件余量較大的拐角，采用小直徑刀具專門加工，以滿足精加工銑削余量均勻，使精加工時切削平穩以獲得高的加工精度和表面質量。

4 結論

儀表板是典型薄壁框體零件，在不具備高速切削能力的情況下，采用普通數控加工，通過制定合理的工藝路線和采取有效的加工工藝控制策略，保證了其加工質量。通過儀表板的數控銑削加工，得出結論如下:

(1)加工后的零件精度和表面質量達到圖紙要求，裝配已驗證完全滿足設計技術要求，零件可以直接進入裝配。

(2)合理進行裝夾布局，能有效減少薄壁框體零件的裝夾變形和加工變形。

(3)優選刀具、優化走刀和進刀方式可以減少薄壁框體零件的腹板變形。

(4)優化各型腔的加工順序可以減少整體零件變形。

【1】RATCHEV S，LIU S，HUANG W，et al.Milling Error Prediction and Compensation in Machining of Low-rigidity Parts[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2004，44(15):1629－1641.

【2】鄭聯語，汪叔淳.薄壁零件數控加工工藝質量改進方法[J].航空學報，2001(22):424－280.

【3】路冬.航空整體結構件加工變形預測及裝夾布局優化[D].濟南:山東大學，2007.

【4】陳蔚芳，倪麗君，王寧生.夾具布局和夾緊力的優化方法研究[J].中國機械工程，2007，18(12):1413－1417.

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【6】武凱，何寧，廖文和，等.薄壁腹板加工變形規律及其變形控制方案的研究[J].中國機械工程，2004，15(8):670－674.

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