高精密細長薄壁件的數控加工

■宜賓市普什模具有限公司　（四川　644007）　余正江 陳 宏 唐升剛

高精密細長薄壁件的數控加工

■宜賓市普什模具有限公司（四川644007）余正江 陳 宏 唐升剛

摘要：針對高精密細長薄壁件的加工要求進行工藝性分析，設計出工藝流程，給出各環節控制變形的具體措施，保證了加工質量。

1. 薄壁件結構

在航天航空、軍事及電子等機械加工領域，涉及各類高精密薄壁件，由于該類零件壁薄、金屬切削去除量大以及剛性較低，所以其加工過程中的變形控制是主要難題。如何減小變形，保證零件的高質量是工藝人員追求的目標。近年來，對該類薄壁件的數控加工工藝探討較多，但絕大多數均以鋁合金或鈦合金為主，對其他一些合金材料薄壁件的數控加工探討較少。特別是對于一些具有高耐磨性、高強度材料零件的研究更為有限，可以借鑒的經驗和資料極少。

在加工過程中，調質料對刀具磨損較大，易產生較高的切削熱，使工件表面形成一定的切削殘余應力，造成工件一定的變形，嚴重影響加工后的尺寸精度，造成加工后零件尺寸超差，質量難以滿足其要求。為此，能否控制或減少切削加工殘余應力，降低刀具磨損將是提高質量、確保產品精度合格的關鍵。需要我們不斷探索、總結，摸索出一套安全可靠的工藝方法。我公司接到一批典型高精密薄壁件（見圖1）的加工任務，該零件長度大、壁厚薄且結構極不對稱，形狀公差和尺寸精度要求高。

圖1　高精密薄壁加工件

2. 工藝性分析

通過分析認為，影響和造成工件加工變形的主要因素有如下幾個方面：①毛坯內的殘余應力。②切削力、切削熱。③刀具在切削過程中與工件表面擠壓產生的表面殘余應力。④工件裝夾產生的應力和變形以及滲氮處理引起工件變形。⑤機床精度、刀具磨損等。

毛坯內的殘余應力可以通過時效處理解決。氮化處理：由于氮化處理溫度較高，時間較長，工件也有0.05～0.08mm的變形，因此，在加工過程中，對工件平面度、平行度及尺寸精度等提出更高的要求，以補償后續熱處理氮化變形的影響，確保工件最終達到高的質量標準。

3. 工藝流程設計

加工工藝流程設計為：下料→時效熱處理→粗加工（留余量1.00mm）→調質處理→半精加工

（留余量0.35～0.40mm）→穩定回火→精加工→鉗工倒R及倒銳邊→滲氮處理。

表1　不同直徑面銑刀銑面變形量對比

4. 各環節變形控制

（1）毛坯殘余應力的去除：在粗加工前，采用去除應力處理，徹底消除毛坯內的殘余應力。粗加工完成后進行調質處理；半精加工完成后，再進行一次去應力處理（此次處理不可忽視，其目的主要是去除加工過程產生的二次應力，穩定尺寸）。

（2）切削加工過程表面殘余應力的控制：38CrMoAl是一種優質氮化鋼，主要用于制造高耐磨性、高疲勞強度和較高強度、處理后尺寸精確的氮化零件。我們發現該零件需調質處理（其硬度在220～250HBW）后進行切削，對刀具磨損特別快，產生較高切削熱，致使工件表面形成一定的切削應力，導致工件產生變形。為了有效控制工件加工過程的變形，必須從刀具選用、切削參數以及走刀路徑等多方面進行綜合考慮和優化。

2.1 鹽脅迫條件下生物復菌劑對黃瓜種子發芽及生長的影響 由表2可知，空白對照(加水)下，“苗壯素”菌液對黃瓜種子發芽率、鮮重及干重影響較小。但在鹽脅迫處理下，種子發芽率提高17.5%，鮮重提高23.5%，說明“苗壯素”對黃瓜種子具有明顯的耐鹽促生作用。

為了優化選擇刀具，采用5種不同直徑刀具進行同條件切削加工，其情況對比如表1所示。

由表1可以看出，刀具直徑大小和背吃刀量是影響切削力的關鍵。銑刀直徑越大，背吃刀量越大，切削過程中的切削力越大，工件變形量越大。刀具直徑太小，背吃刀量太小，其效率又太低。對比切削結果，認為選用φ32mm方肩銑進行半、精加工，在質量和效率方面效果比較理想。

為了摸索加工技術參數的影響，選擇不同切削參數進行比較，試驗結果如表2所示。

表2　不同轉速、進給對工件變形及刀具磨損情況

由表2可看出，轉速是影響切削溫度和刀具磨損的關鍵因素。轉速越高，切削熱越高，刀具磨損越快，使用壽命越短，且產生的切削殘余應力就越大，對工件造成的變形也越大。當轉速太低時，刀片容易崩裂。通過試驗對比認為，選擇主軸轉速300r/min、進給速度250mm/min為佳。

刀片優選具有高耐磨性、韌性好的合金涂層刀片（比如加工鈦合金所用的合金涂層刀片）。

為了掌握走刀軌跡對工件變形的影響，我們采用不同的刀路軌跡（見圖2），測量不同加工刀軌對變形量的影響（見表3）。

由表3可以看出，在效率方面，軌跡1所對應的效率高，但變形量大，不能滿足圖樣的公差要求。軌跡2、軌跡3能滿足其要求，但軌跡3所對應的工件產生的變形量最小，幾乎為0。通過分析認為，對于刀路軌跡1，產生的變形量較大的原因可能是加工過程刀路長，單面表面殘余應力累積逐步變大，導致翹曲變形較大。對于刀路軌跡2，刀路較短，表面殘余壓力難以累積，對工件造成的變形較小。對于第3種交替曲線加工軌跡：①刀具在運動過程中，比直線運動能更好地冷卻工件和刀具，從而減少了切削熱引起的應力變形。②由于刀具運動方向隨時都在發生改變，使得形成的表面應力的方向也在發生改變，這些應力不僅不能聚積形成合力，而且還會相互抵消部分應力。③不僅實現連續加工軌跡，同時還有效縮短了刀路軌跡的長度。實踐證明，交替曲線加工軌跡對高精度、高平面度、高平行度要求的薄壁件平面加工效果非常好，值得推廣應用。

圖2　加工走刀路徑示意圖

表3　不同走刀路徑對工件變形的影響

（3）工件裝夾變形控制：工件裝夾過程中，防止工件變形是實現薄壁零件加工的關鍵。實現防變形裝夾的關鍵是要根據工件結構設計出合理、穩定、可靠的工裝夾具；選擇好定位基準面，定位緊固面，實現零件基準面與工裝基準面自然、緊密貼合，定位緊固面多點均勻受力緊固（見圖3、圖4）。

圖3　工裝示意圖

圖4　工件裝夾方式

（4）尺寸精度控制：該工件平面度、平行度及尺寸精度要求高，因此必須選擇精度高、運行穩定的機床，要求其幾何精度、重復定位精度在0.02mm以內。由于該零件材料在加工過程中對刀具磨損較大，如果不控制好刀具磨損對工件精度的影響，加工出來的工件會出現一個端頭比另一個端頭厚的現象，會影響上、下面平行度。對刀具在加工過程中產生的正常磨損，即便選擇性能好的刀片，待整個面加工完，其磨損量已有約0.02mm，這種因刀具磨損造成零件厚、薄不一的現象，只要通過試驗，測量出銑完該面對刀具的磨損量，就可以通過數控技術的程序補償或三軸聯動來彌補。下面是三軸聯動的部分程序段：

N7 G1 Z0.0 F250

N8 X1088. Y135. Z-0.00025

N9 X1091.135 Y132.913 Z-0.0005

N10 X1094.022 Y130.492 Z-0.00075

N11 X1096.623 Y127.768 Z-0.001

N12 X1098.23 Y125.719Z-0.00125

N13 X1099.517 Y123.452 Z-0.0015

N14 X1100.48 Y121.029 Z-0.00175

N15 X1101.101 Y118.498 Z-0.002

N16 X1101.37 Y115.905 Z-0.00225

N17 X1101.25 Y113.304 Z-0.0025

通過此方法加工，可實現該工件整體厚度基本相同，有效確保其平行度。

5. 結語

通過對高精密導軌的加工使我們意識到，加工高精密薄壁件必須認真結合產品形狀進行分析，優化選擇適宜的刀具、加工參數及正確、合理的加工路徑，其主要目的是實現加工過程產生的應力最小。實踐證明，采用交替曲線加工軌跡是非常有效的。雖然加工效率有所下降，但是加工的成品率大大提高，質量得到了可靠保證，這是其最大的優勢，值得推廣應用。

專家點評

文中有2處比較新穎：①測量不同加工刀軌對產生變形量的影響。②測量出銑完該面對刀具的磨損量，然后用三軸聯動來彌補。這2種方法對讀者有較強的指導意義。針對第1種方法，文中分析了不同刀具軌跡對工件表面殘余應力影響的原因，給人耳目一新的感覺；第2種方法測量出銑完該面對刀具的磨損量，然后用三軸聯動來彌補，也可以使用G10可編輯輸入的方法，在程序中改變刀具的磨損量，這樣編程會更加簡潔一些。

收稿日期：（20150415）