曲面薄壁類銑削工藝研究

陳金偉

（航天長征火箭技術有限公司，北京 100076）

曲面薄壁類銑削工藝研究

陳金偉

（航天長征火箭技術有限公司，北京 100076）

曲面薄壁類銑削是一種常用的工藝方法，在進行加工時對夾具、機床等有較高的要求，在加工過程極易發(fā)生刀具切削變形。本文以曲面薄壁銑削加工過程為研究對象，介紹了其數控加工工藝流程以及銑削變形的補償方法。

曲面薄壁；銑削；工藝

現在航空航天領域面臨著激烈的國際競爭，需要產品具有較高的性能。薄壁結構零件例如飛機支架零件質量較輕，產品的結構強度較高，具有較好的性能，由于以上優(yōu)點，薄壁結構零件獲得了廣泛的應用，銑削工藝也獲得了提升。

曲面薄壁類銑削多用于制造注塑和壓鑄類結構零件，形成的產品呈現薄片狀，其主要特點是由窄槽和薄片組成，這些薄片以及窄槽本身具有一定的厚度，而且整體的排列比較均勻，并且呈現出曲面的形狀，采用紅銅來進行曲面薄壁的加工，從而使其具有相對較高的延展性，如果銑削曲面薄壁的頂端會發(fā)生變形和彎曲，需要精確的控制切削用量，要對加工工藝進行嚴格的掌控，編程參數的設置也要非常精確。

許多發(fā)達制造國家非常重視薄壁件的變形，這些國家利用薄壁件的結構特點進行有限元分析，利用變形參數進行誤差補償，這樣保證薄壁件具有較高的加工精度。有的國家為了解決薄壁件的變形問題會采用高速銑削工藝，對于提高加工效率成效比較顯著。曲面薄壁件的銑削工藝是一個非常復雜的金屬切削工藝，對于刀具、機床、工藝方案、切削量等的要求較高，所以必須要進行理論分析和試驗以建立一個銑削模型，用有限元軟件進行變形分析并進行補償，從而提高薄壁件的加工精度。

1 曲面薄壁類銑削工藝流程

某模具廠加工了一例曲面薄壁類產品，其形狀描述如下：產品最高點與底座平面的距離為22mm，薄片的厚度為1．5mm，其頂部為曲面形狀，要使用球形刀進行精細化加工，薄片之間的距離為5mm，由于是窄槽，薄片的外形要用直徑較小的刀具來進行加工。其銑削工藝流程如下。

1.1 外形加工

該曲面薄壁件要加工正面，先將平口鉗校正好，再夾住毛坯銅料，然后開始分中對刀加工，對刀加工完成后進行平面挖槽，將薄片周圍的材料除去。

加工時使用進口超微粒鎢鋼刀，這種刀具的磨損量非常微小，粗加工完成后不用換刀，繼續(xù)采用輪廓加工方法對外形和下部進行精加工。

1.2 曲面薄壁的粗銑

用曲面粗加工形式來粗銑削曲面，為了節(jié)省銑削時間，使用直徑為16mm的銑刀，轉速保持在1200r/min，進給速度控制在1000mm/min，每層的背吃刀量為0．7mm。

1.3 曲面的精加工

精加工曲面時，使用直徑為10mm的雙刃球形銑刀，刀具的轉速為2300r/min，進給速度為1000mm/min，精加工時的進刀角度為315度，曲面要具有較高的精度，這是為了讓曲面具有非常高的精度以及完好的表面質地，其值可以設置為0．005，行與行之間的間距設為0．15mm。從刀具加工路徑模擬效果圖上可以看出，如果不進行曲面粗加工而是直接進行精銑削，會造成較大的切削量，并且刀具在銑削時會產生明顯的振動，表面會由于這些因素變得粗糙，不僅不會達到快速精銑的目的，甚至也會發(fā)生斷刀。如果進刀角度設置為315度加工時行間的距離比較均勻，切削液也會產生較好的沖刷效果，工件的表面會產生較好的質量。

1.4 曲面薄壁件的外形精加工

對曲面進行精加工后，接著對薄壁形狀進行精加工，并成形，如果在加工頂部曲面之前先加工外形，會形成較高的薄壁形狀，銅料在刀具的切削作用下會發(fā)生變形和彎曲，從而導致加工失敗，這是曲面薄壁類銑削加工很容易出現的問題。由于薄片之間為窄槽，而且這種窄槽本身比較適合用直徑較小的刀具來進行加工，可以使用直徑為4mm的銑刀來進行精加工，首先我們可以將轉速調整至2000r/min，并且將進給速度調整為400mm/min，在進行實際的加工過程當中刀具的下刀深度要適中，不宜過大。由于刀具的直徑較小，裝夾加工件的長度較長，極易發(fā)生過切現象，所以每層的背吃刀量可以取0．4mm，此時轉速和進給速度可以適當高些，這樣會提高加工效率。設置路徑參數時，外形加工余量取-0．1mm，這是預留的火花加工距離，加工時不抬刀，這是因為輪廓外下刀是比較安全的下刀位置，這樣可以節(jié)約刀具的空運行時間，從而提高效率。

進行曲面薄壁類銑削加工藝加工路線要進行精密的規(guī)劃，經過長期的加工實踐，比較成熟的工藝方案是粗銑外形和邊框加工、曲面粗加工、曲面精加工、對薄壁外形進行精加工。

2 曲面薄壁件加工時的變形分析

對曲面薄壁件進行銑削加工非常復雜，涉及到機械加工工藝、材料科學、塑性力學等學科。為了對銑削加工時的受力變形情況進行研究，要進行反復的試驗，如果獲得龐大的數據都要進行試驗需要較大的工作量，對曲面薄壁件加工過程中的變形情況進行分析時，可以使用有限元分析軟件。

2.1 力學描述

在對曲面薄壁件進行銑削時，薄壁件的剛度較小，刀具下刀銑削時極易發(fā)生變形，使薄壁件的理論切深和實際切削深度產生差異。如果切削件發(fā)生了變形，實際精度會與設計精度不一致，從而導致銑削件發(fā)生報廢。對曲面薄壁件進行銑削時，機床、刀具、夾具等引起剛度的弱化，從而產生讓刀變形，刀具在切削過程中其深度會減少而影響切削力。刀具和工件的變形會產生新的徑向切深，切削區(qū)域的邊界角度會發(fā)生變化，此時要重新對切削操作進行調整。

2.2 薄壁件加工時產生變形的分析

通常應對銑削過程中的變形問題時，采取的方法是完成精加工以后，如果此時沒有進給量要增加切削數量，采用這種方法可以將殘余的材料除掉，但是對于部件的加工效率會產生一定的影響。本文采用的補償銑削變形方法是用有限元模型來計算變形量，用CAM軟件來分析變形數據，數據加工程序具有了一定的補償功能。

進行刀具路徑補償操作時進行有限元分析，刀具在走刀時其走刀路徑根據變形量的大小進行調整，補償因為進刀時變形產生的讓刀量。這樣操作后一次走刀就可以除掉殘余的材料，薄壁件的壁厚參數也可以得到保證。

進行曲面薄壁件的補償變形加工時，刀具走刀時要按照預設的刀具軌跡來進行，薄壁件的剛度很小所以加工時極易發(fā)生變形，使切削位置和設計位置發(fā)生偏移，要對加工時某點的變形量進行修正來保證實際切削位置和設計點位置的重合。用有限元分析模型可以獲得變形結果，從而可以掌握薄壁件銑削時的變形規(guī)律，以此來獲得優(yōu)化的刀具路線軌跡。

2.3 曲面薄壁件加工變形時產生的誤差補償

刀具在進給時以及沿軸線方向會產生變形，所以進行刀具軌跡補償時要以進給刀和軸線位置進行。針對進給變形，可以修正刀位點的軌跡，軸線方向如果發(fā)生變形，可以偏擺刀具的角度來實現變形補償。工件在加工過程中發(fā)生變形，如果發(fā)生于刀具的軸線方向不一定是一條直線，此時可以將軸線切深進行分割，實行多次走刀，這種方法會影響加工效率，以后的走刀路徑也會對已加工表面產生影響。對軸線方向的變形曲線進行線性擬合后，可以獲得一個直線斜率，這個斜率可以做為刀具的偏擺角度，對刀位點的位置進行修正以及對刀具角度進行偏擺調整后，就獲得了修正的刀具軌跡。

3 走刀路線的確定

在對薄壁件進行數控加工控制前，要建立一個制造模型，然后建立一個制造數據庫，這個數據包括機床、夾具、刀具等的參數設置，最后要對加工方法進行設置，對刀具軌跡進行演示并生成加工數據，從而獲得最為合理的刀具路徑來生成數控加工代碼。

4 結語

曲面薄壁類銑削工藝在模具加工應用比較廣泛，加工起來難度較大，機床和刀具的類型和性能不同，采取的加工方法也不盡相同。

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