薄壁工件銑削加工變形控制

陳志

摘 要 薄壁工件結(jié)構(gòu)在航空、能源傳播等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。但是薄壁工件的剛度相對較低，在對其進行銑削加工的過程中容易發(fā)生變形，銑削過程中所產(chǎn)生的切削力對加工精度的影響非常明顯。為了保證薄壁工件銑削加工的質(zhì)量，文章對工件銑削加工變形進行簡要分析，并提出一些針對性的策略。

關(guān)鍵詞 薄壁工件；銑削加工；變形控制

中圖分類號：TG54 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0094-01

1 銑削加工受力模型

長期以來，銑削過程建模一直是眾多學(xué)者的重點研究對象，針對銑削過程的建模方法主要包括經(jīng)驗法、分析法及力學(xué)法等。其中，力學(xué)法的應(yīng)用最為廣泛。雖然力學(xué)法建立的切削力模型形式較多，但是其實質(zhì)都是將切削力堪稱切削過程中的幾何屬性及物理屬性的函數(shù)。

銑削過程中的切削力主要與切削面積有關(guān)。圖1所示為銑削過程切削力分析示意圖，為了方便對切削力進行分析，將銑刀切削刃劃分為如圖所示的微單元，然后對處于切削區(qū)域的各個微單元的受力狀況進行綜合分析和計算，最后計算出總的切削力。

圖1 薄壁工件銑削過程

銑刀切削刃微單元的切削力可以被分解為切向切削力及徑向切削力，具體關(guān)系如下面公式所示：

（1）

式（1）中的DFT、DFR分別表示切向和徑向切削力；D2表示微單元的軸向?qū)挾龋籏T、KR表示平均切屑厚度的指數(shù)函數(shù)；tc表示微單元瞬時未變形切屑厚度。

KT、KR可以用如下公式表示：

（2）

2 薄壁工件加工變形控制試驗

2.1 大軸向切深試驗

選擇試驗機床為Micron UCP710，刀具為直徑12 mm、兩齒、螺旋角為45°的硬質(zhì)合金立銑刀；工件試樣選擇2件規(guī)格相同的7075鋁合金工件，工件長76 mm、寬68 mm、高20 mm。對試樣1進行大切深試驗，對試樣2進行小切深試驗，加工后的工件試樣腹板厚度為2 mm。切削用量：試樣1為ae=5 mm，n=15000 r/min，進給速度f=3 m/min，ap=6 mm；試樣2為ae=5 mm，n=15000 r/min，f=3 m/min，ap=3 mm。進刀方式為垂直進刀，走到路徑為由內(nèi)向外環(huán)切。測量數(shù)據(jù)如圖2所示。

（a）Y向各點變形 （b）X向各點變形

圖2 不同切深對薄壁工件變形的影響

從圖2中可以看出，各測量點的值均小于標(biāo)準(zhǔn)值超過20 mm，這主要是由于刀具銑削過程中的向上拉力過大所導(dǎo)致的。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，大軸向切深方式能夠充分利用到工件自身的剛性，從而實現(xiàn)對工件銑削過程變形的有效控制，而采用常規(guī)的小精加工余量在薄壁工件銑削加工中并不適用，這主要是由于薄壁工件在銑削過程中容易產(chǎn)生振動，極易影響工件的加工精度。由此可以得出大軸向切深工藝是一種有效的控制薄壁工件銑削變形的方法。但是，在采用該方法的過程中，如果軸向切深選擇過大，就會增加工件的切削負荷，對工件的表面質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，同時還會加快道具的損耗。因此，在滿足加工精度的條件下，盡量控制軸向切深。另外，在采用該方法的過程中，可以適當(dāng)?shù)販p小徑向切深及進給量能夠有效保持切削載荷的平衡性，以犧牲一定的效率來提高薄壁工件的加工精度。

2.2 依靠工件自身剛性進行分布環(huán)切

除了采用大軸向切深對薄壁工件銑削加工變形進行控制外，還可以通過控制走刀路徑來控制加工變形。該方法主要是利用工件未加工部分對正在加工部分進行支撐，使切削區(qū)域能保持較高的剛性狀態(tài)，從而實現(xiàn)對變形量的控制。

選擇試驗機床為Micron UCP710，刀具為直徑10 mm、刀尖圓角半徑r=1.5 mm的硬質(zhì)合金立銑刀；工件試樣為7075鋁合金工件，工件長136 mm、寬70mm、高20 mm。加工后的工件腹板厚度為2 mm。取A框長96 mm、寬30 mm，B框長116 mm、寬50 mm，C框長136 mm、寬70 mm。精加工所選擇的切削用量為ae=5 mm，n=15000 r/min，f=3 m/min，ap=3 mm。在加工過程中，將整個工件分為A、B、C三部分進行加工，按照A→B→C由外向內(nèi)進行分步環(huán)切加工，總體加工的順序依次為，A1、A2、…、An、B1、B2、…、Bn、C1、C2、…、Cn。利用該方法進行薄壁工件的銑削加工，能夠使工件的加工區(qū)域在整個加工過程中保持較高的剛性狀態(tài)，實現(xiàn)較好的變形控制效果。試驗后，將加工工件與相同加工條件下采用環(huán)切、螺旋切削加工的工件進行對比。

采用分布環(huán)切工藝時，其變形控制情況明顯好于另外兩種加工工藝。分布環(huán)切工藝能夠使工件自身的剛性得到充分利用，使工件加工區(qū)域保持良好的剛性狀態(tài)，從而實現(xiàn)對加工變形的有效控制。

3 結(jié)論

薄壁工件的應(yīng)用范圍非常廣泛，但是對其加工變形的預(yù)測及精度保障是長期以來困擾我國制造業(yè)的一大技術(shù)難題。通過本文的試驗分析可知，采用大軸向切深及分布環(huán)切工藝進行薄壁工件的銑削加工，能夠?qū)ぜ庸み^程中的變形實現(xiàn)較好的控制。兩種工藝都在加工過程中都充分利用了薄壁工件自身的剛性。通過對這兩種變形控制工藝的單獨應(yīng)用或者組合應(yīng)用，對薄壁工件實際加工質(zhì)量的提高具有重要意義。

參考文獻

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