數控銑削薄壁零件精密核心技術研究

張杰華

摘 要：以數控銑削薄壁零件過程中的誤差起因為研究基礎，從薄壁零件的加工的角度入手，探討了數控銑削薄壁零件加工過程中所應用的工藝方法、走刀方式、切削參數和裝夾類型及其數控銑削薄壁零件的質量和工作效率的影響。除此之外，還結合實例對可以提升數控銑削薄壁零件工作效率和工藝方法的措施進行了總結。

關鍵詞：數控銑削；薄壁零件幾何誤差；變形概率

中圖分類號：TG506 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.140

1 薄壁零件加工的質量概況

在工件工藝體系中所進行的加工稱作切削加工。在薄壁零件的切削加工期間，對零件加工精度產生了影響，主要是因所用工藝體系的幾何誤差、零件的受力（熱）變形、振動變形等引起的。由于薄壁零件有強韌度低的特性，因此，在進行薄壁零件的數控銑削加工過程中，加工工件的變形會對加工工作造成較大的影響。為了盡可能地提升薄壁零件的加工精度，確保薄壁零件的加工質量，需要最大限度地降低加工前、后的零件變形概率。

2 薄壁零件的加工難點

2.1 精加工困難

由于所要加工的零件普遍存在外形較大的特點，所以，在加工時工件會隨著夾緊力的變大產生一定程度的變形。

2.2 剛度低，工藝差

薄壁零件的壁都很脆弱，整體剛度較低，在加工過程中易變形。同時，在加工的過程中，由于受到工件內殘余應力的影響，很難保證工件的尺寸、形狀等符合要求。

2.3 零件的結構比較復雜

零件側壁和腹板中間存在倒角，側壁之間也有2種倒角，在加工過程中易發生加工質量較差的現象。

3 加工工藝方案

眾所周知，到目前為止數控銑削加工技術的重點是無圖化生產、實現單件工件高精度加工、提高少人或無人化加工精度，這就要求數控銑削機床在速度、高速動態精度、剛度、穩定性、可靠性、網絡化成都等方面均具有相應的控制系統。除此之外，模具三維型面加工要求機床有較好的動態性能，我國部分公司已經引進了高速銑床，目前，已投入生產。而我國的機床廠也相繼研發出了一些準高速的銑床，正進行著高速加工機床研究。

數控技術指的是將數字、文字以及符號組成的一種數字指令，以實現一臺或多臺機械設備動作控制的高新技術。其所控制的一般是位置、角度、速度等機械量或與機械能量流向相關的開關量。

由于條件有限，機床在加工時不能使用效果最好的銑削方法，只能在現有條件下進行薄壁零件的數控銑削加工。為了提升薄壁零件的剛度，提高零件的加工質量，在粗加工時，要預留出大于常規數量的加工余量，保證單邊留量為2 mm。同時，使用熱處理等工序來消耗工件內的殘余應力、切削力和切削熱引起的應力；粗加工與精加工分開進行，避免加工過程中零件發生變形。

數控銑削薄壁零件的加工工藝為粗銑零件→粗銑凹槽→預留單邊→熱處理→半精銑零件→保證留量均勻→精加工側壁和腹板各個部位以及各種孔。

4 數控銑削薄壁零件的變形控制

4.1 提升薄壁零件的強韌程度

提升薄壁零件的強韌程度可以有效降低工件在裝夾期間以及后期變形的可能性，還可以適當增加零件壁的厚度，從而起到提升工件強韌度的作用。為了提升薄壁零件的強韌程度，可以在加工時運用加固加工的方法。所謂“加固”，就是在待加工件的內部添加一些比較容易去除的物質，從而提升工件的強韌程度。比如，可以在代加工件的內部澆筑一些石蠟、石膏或溶沸點較低的合金。但在加工時，一定要選擇合適的冷卻液，避免冷卻液溶解工件內的填充物。薄壁零件的強韌程度與工件自

身的性質結構以及加工過程中的定位夾緊方法、裝夾的位置、裝夾的夾緊力有關。增大工件與工裝之間的接觸面積可提高工件接觸面的強韌程度。除此之外，對于提升工件工藝的強韌程度，除了可適當增加工件與工裝之間接觸面的堅硬程度，還可以通過使用一些彈性較高的模量材料實現。

4.2 規劃合理的工藝流程

具體的工藝特點如表1所示。

在對薄壁零件進行數控銑削加工時，裝夾的加緊力度一定要依照最大的切削量確定。這樣做不僅能確保在任何切削力做工的情況下，都能夠對薄壁零件穩定加工；同時，還可以降低零件加工過程中的變形機率。按照薄壁零件的加工精度要求看，對于加工精度比較高的薄壁零件，尤其是去除大量用料的狀況下，應采用“先粗后精”或“粗-精-精”的加工方法。

在進行粗加工時，要選用的夾緊力、切削量均較大，粗加工在一定程度上為后期的精加工作了鋪墊。為了更好地提升薄壁零件的穩定性，要在粗加工和精加工的間歇過程中盡量消除器械的殘余應力。在精加工時，為了降低工件變形的可能性，則盡可能減小切削力。除此之外，在薄壁零件精加工時，最好使用高速的數控銑削方法。

4.3 確定合理的加工順序和走刀方案

合理的加工順序不僅有利于降低薄壁零件在加工過程中變形的概率，保證薄壁零件的加工質量，還有利于加工人員良好控制工件裝夾時堅韌強度的變化。在選擇薄壁零件的加工順序時遵循的原則是在工件便利、選位可靠、裝夾夾緊力符合要求的情況下，盡量減少用料，降低工件強韌度減弱的速度。在整個切削過程中，只有保證這兩者處于最佳狀態，才可能降低薄壁零件加工過程中的變形概率。

在薄壁零件加工的過程中，走刀方法對薄壁零件的加工功率、工件的變形概率有很大的影響。不同的走刀方法對加工過程中殘余應力的釋放順序有一定的影響。由于受到加工過程中切削力及其產生的熱量的影響，會產生一些新的應力，而不同路徑的走刀方法則會使那些新產生的應力和工件中原有的應力結合，最終導致工件產生不同程度的變形。

在選擇加工路徑時，應選擇可以對稱切削毛坯的路徑，采用分層分布切削的方法，并加大切削量，做到一次性大量切除。在對腹板進行加工時，應使用環切的走刀方法。如果腹板的面積較大，則可以使用分步環切的走刀方法。除此之外，在數控銑削薄壁零件的過程中，通常使用順銑的加工方法和平滑的走刀路徑，以減少路徑中的需要急速轉彎的路段。在一些轉角處可安裝過渡圓弧，從而相應地減緩走刀速度。在走刀時，應注意使刀具在水平方向切削工件，平穩進行，避免因切削力度過大或其他人為因素導致刀具損壞。

4.4 優化參數

在數控銑削薄壁零件的加工中對切削參數的選擇關系著切削力和切削熱量。在確定切削參數時，要綜合考慮刀具的用料、工件的用料、機床的能力等因素。在數控銑削薄壁零件加工的過程中，銑削量的大小與工件的加工功率、刀具的使用年限、作工的費用以及成件質量密切相關。在加工過程中，合理的銑刀每齒進給量是決定成件質量、提升工作效率、降低刀具磨損程度的關鍵所在。切削力度大小的改變可通過調節銑刀每齒進給量來實現。在數控銑削薄壁零件的過程中，各種切削參數需要滿足以下各種關系式：

式（1）（2）（3）中：Vf為進給速度，mm/min；n為主軸的轉速，r/min；z為銑刀的齒數；fz為銑刀每齒進給量，mm/齒；V為切削速度，m/min；D刀具直徑，mm；η為材料去除比例，mm3/min；ap為銑削深度，mm；ae為銑削寬度，mm。

一般而言，銑刀的每齒進給量是由薄壁零件的加工質量要求、工件和刀具用料確定的。在對工件進行粗加工時，銑刀的每齒進給量可選得大一些，這樣可以提供高加工的工作效率。此外，在進行粗加工時，選用的主軸轉動速度一般較慢，而選用刀具的尺寸較大，這樣也可以提升加工效率。

在對薄壁零件進行精加工時，為了提高工件的加工質量，一定要選擇合適的銑刀每齒進給量。選用比較快的主軸轉動速度以及直徑比較小的刀具工藝參數等。只有這樣，才能最大限度地確保加工質量。在確定主軸轉動速度時，還要要考慮機床的承受能力、工件的用料、刀具的等因素對主軸轉動速度的影響。影響刀具使用年限的主要因素是加工時的切削速度，比如，速度過快的切削會大大縮短刀具的使用年限。加工時的銑刀每齒進給速度應與切削速度完美結合，過快的進給速度會導致加工質量降低，過慢的進給速度則會降低加工效率。此外，速度過快會加劇刀面損壞，降低加工質量。

4.5 優化裝夾策略

首先，要確定工件的定位方式、加緊方式以及合理的定位支承面。其中，定位支承面要選擇那些工件比較大的曲面（或平面）。與此同時，還要使工裝與工件之間的定位接觸面盡量擴大。適當提高工件定位面處的加工精度，增大工件與工裝之間的接觸面積，提升接觸面的強韌程度，杜絕逆力切削現象的發生。

對于那些強韌程度比較低的薄壁零件，在定位時一般使用超定位的方法，尤其是在強韌程度相對較弱的區域，更要加大支撐力度，提升工件的工藝強度，降低工件加工過程中變形的概率。在使用超定位方法時，需要注意的是，要使各個定位面與超定位之間有足夠的匹配精度，否則將會定位失敗，甚至造成零件損壞。

在確保零件加工過程中可靠夾緊符合標準的情況下，盡可能地選用力度較小、分布均勻的夾緊力，并增加夾緊點的數量、加大夾緊力的作用面。在工件強韌程度比較好的區域，應施用夾緊力，使夾緊力的方向與定位面相互垂直。對于形狀較為規則的零件，要使用夾具和支撐均勻分布的加工方案。

綜上所述，在工件加工的過程中，如果已經確定了加緊方式，做好了定位，則要將“遺傳”與“有限元”方法結合起來，以加工時最大的形變為目標函數，構建相應的優化模型，并以此模型為基礎對工件進行加工，將工件夾緊點的位置和夾緊力的大小實現同步優化。

5 結束語

綜上所述，為了確保數控銑削薄壁零件的加工質量，相關工作人員在加工時，要盡可能地降低零件變形的可能性，減少初始殘余應力。同時，還要注意對切削參數、切削工藝的選擇，并選擇合理的加工計劃，從而更好地提升薄壁零件的強度。其中，在選擇切削參數時，要考慮相關的切削功率、切削深淺和寬窄等因素對加工的影響。除此之外，工作人員還要結合實際的加工要求，確定好裝夾工藝，以降低裝夾變形、加工期間變形的概率，從而提升成件質量。

參考文獻

[1]高翔，王勇.薄壁零件精密數控銑削關鍵技術研究[J].機床與液壓，2009（09）.

[2]韋江波.單一薄壁零件的數控銑削[J].裝備制造技術，2011（03）.

〔編輯：張思楠〕