薄壁件加工工藝

顏建

（華南理工大學 廣州學院，廣州 510800）

0 引言

現階段，在加工過程中遇到的薄壁件產品越來越多，而且具有薄壁特征的零件產品也越來越多，由于薄壁件特征在加工過程中的問題較多，容易產生變形，因此加工精度難以保證。

本文主要針對薄壁件加工過程中，如何保證薄壁零件的精度要求進行探討。

1 加工薄壁件時影響精度的主要因素

圖1 薄壁件工程圖

薄壁件產品示意圖如圖1。由于薄壁件產品尺寸的特殊性，因此在加工過程中容易產生變形，從而影響最后的尺寸精度。在實際加工過程中影響精度的主要因素有受力變形、受熱變形、振動變形、殘余應力變形等。

2 解決薄壁件加工過程中變形的措施

針對在加工薄壁件零件時產生的問題，主要有下列幾種解決措施：

2.1 裝夾方案的優化

1）利用零件的整體剛性加工薄壁零件。在加工時，應盡量利用零件余量部分作為支撐，以增加切削時產品的整體剛性。2）采用輔助支撐。在裝夾過程中產生的裝夾力也會令產品產生變形，針對這種情況，可以在零件腔內采用填充法等方法，加強產品的支撐性，從而減小變形。

2.2 加工切削速度的優化

加工薄壁件時，可以采用高速切削加工技術來降低加工時產生的切削力，以減少變形。

2.3 軸向切深的優化

在加工過程中，隨著吃刀量增大，切削力增大，工件的振動也會增大，因此在加工薄壁件零件時，為了減少工件的振動，應選擇較小的吃刀量，以減少振動，從而保證加工精度。

2.4 增加輔助特征

在編制程序過程中，亦可使用錐度銑削的方向進行加工，使得加工過程呈現一個上窄下寬的形態，以增加薄壁特征的整體剛性，減小變形量。

2.5 對稱分層銑削

毛坯初始殘余應力對稱釋放，可以有效減小零件的加工變形。

3 薄壁件零件的加工分析

圖1 為典型的薄壁件零件，該零件薄壁特征長/寬/高分別為20 mm×1 mm×10 mm，外部薄壁特征為40 mm×40 mm×10 mm×1 mm 的矩形部分。由于該零件整體尺寸偏小。因此在加工過程中要注意刀具干涉以及薄壁特征變形的問題。

3.1 模型建立

使用SolidWorks 軟件建立模型，獲得模型三維視圖如圖2。

圖2 薄壁件三維視圖

3.2 程序編制

將繪制好的三維模型保存成iges 類型文件，導入Mastercam 軟件進行后續操作。工藝路線劃分為：粗加工→底面精加工→半精加工→精加工。

1）開粗。開粗階段首先加工零件的外輪廓尺寸，為了保證半精加工時薄壁的加工強度，刀路與實際加工如圖3。

圖3 粗加工刀路

2）底面精加工。在加工薄壁零件時，應該盡量避免薄壁特征側面與底面同時加工，避免刀具受力不均勻的情況，以防止加工過程中產生的受力變形。具體刀路如圖4。

圖4 底面精加工

3）半精加工。在薄壁特征的半精加工中，非常容易產生受力變形，因此在加工過程中可以結合加工切削速度的優化、軸向切深的優化、增加輔助特征、對稱分層銑削等方法同時應用，以減小加工變形量。

本零件在加工中可以最大限度地提高刀具的轉速，由于本單位的機床限制，因此轉速最高可以提至2 800 r/min，所以在加工過程中采用轉速2 600～2 800 r/min 的轉速區間最大限度利用機床本身資源。

但是在加工過程中只靠提高轉速是不夠的，還要采用增加輔助特征的方法，本文中使用的方法是采用錐度銑削，在加工薄壁特征時，摒棄普通加工的一刀直落的加工方式，采用一次半精加工，半精加工采用錐度銑削，設定錐度0°～2°之間，根據薄壁的深度來確定錐度值，本零件深度20 mm，因此在保證切削過程中，切削余量不會變化太大，而且又在保證整體薄壁剛性的情況下，設置合適的角度就顯得比較重要了，深度越深時，角度設置不宜過大，根據圖標可以看出，角度設置在0.6°時，上方余量為0.2 mm，根部余量為0.41 mm，這樣就能夠保證在半徑加工過程切削應力不會驟變。示意圖如圖5。

圖5 錐形角度的設置

整個薄壁件在加工過程中變形最大的地方是在薄壁特征的頂端，因此這樣加工的優勢在于整體薄壁件在加工時候留下了錐形余量，使得整體剛性比較強，而且在薄壁的上方給予小切深結合整體剛性，而在薄壁特征根部由于剛性較上方強，因此可以給予相對較大的切深。

具體刀路與實際加工圖如圖6～圖7。

圖6 薄壁特征半精加工

圖7 半精加工成品圖

4）精加工。在半精加工結束之后，整體薄壁特征呈現一個梯形形狀，而且余量分布差別也較均勻，因此可以直接進行精加工，精加工時可以將錐度取消即可，在精加工過程中要求主軸轉速盡可能加大，以盡量減少切削作用力，保證產品的精度。這里值得注意的是，在精加工過程中應該采用對稱分層銑削的方式來盡量滿足加工應力均勻釋放的要求。刀路圖如圖8。

精加工過程中，不能采用以往加工厚零件輪廓時采用大吃刀量來保證輪廓質量的方法。而應該采用較小吃刀量的方法來盡量減小切削力，減小薄壁特征的變形。

圖9 中B 部分為半精加工中的錐形薄壁特征，A 部分為采用大吃刀量時產生薄壁件變形，C 部分為結合加工切削速度的優化，軸向切深的優化，增加輔助特征，對稱分層銑削等方法同時應用之后得出的結果。

圖8 對稱分層銑削

圖9 加工結果對比

4 結論

通過薄壁件的加工，我們可以看出，即使未采用高速加工機床，我們也可以通過加工切削速度的優化，軸向切深的優化，增加輔助特征，對稱分層銑削等方法，最大程度地減小加工變形量，從而保證薄壁性零件的加工精度。

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