大曲率薄壁曲面零件數控加工技術研究

易通

【摘 ?要】薄壁零件因其剛性差、易變形，一直是機械加工中的難點問題。而大曲率薄壁曲面加工時不僅需考慮薄壁，對于曲面加工精度控制也是難題，在曲面為大曲率時，使用的的數控程序和加工方案均需適應性更改。因此研究大曲率薄壁曲面加工工藝方法，不僅能控制加工精度，還能增加加工效率，對一般的曲面加工和薄壁件零件加工均有良好的借鑒意義效果。

【關鍵詞】大曲率;薄壁;曲面;數控加工

【Abstract】Thin-walled parts are always difficult problems in machining due to their poor rigidity and easy deformation.While the processing of large curvature thin wall surface not only needs to consider thin wall，for the surface machining precision control is also a problem，when the surface is large curvature，the use of CNC program and processing program need to be adapted to change.Therefore，the research on the processing method of thin-walled surface with large curvature can not only control the processing accuracy，but also increase the processing efficiency，which has a good reference to the general surface processing and thin-walled parts processing

【Key words】large curvature，thin-wall parts，surface，processing technology

1引言

隨著時代的進步，航空、汽車、消費品等領域對產品表面美觀、重量等要求越來越高，產品越來越多的使用了復雜曲面和薄壁設計，這使得大曲率曲面、薄壁類零件越來越多的出現在加工行業，給數控技術人員帶來困擾。

隨著計算機編程技術和機床的進步，曲面加工、薄壁加工作為傳統難題，已經逐步解決，但當大曲率復雜曲面與薄壁構型同時出現，問題變得復雜。此時，除需要過硬的編程技術、穩定的機床外，還需要對數控加工原理，曲面幾何形狀解析進行研究，本文以某模型飛機小翼加工為例，對此類零件加工所需注意的一些基本事項和技巧進行探索和研究。

2.小翼數控加工技術研究

小翼（圖1）材料為30CrMnSiA，抗拉強度σb=1080MPa，其展長213.37mm，弦向尺寸283.36mm，高度落差87.87mm。通過觀察數?？芍?，零件在XY、XZ、YZ三個平面上均有轉角，相對基準面小端的曲率遠大于大端，壁厚分布不均勻，壁厚最薄處僅有0.163mm，加工此處時，大曲率和薄壁帶來振刀等問題使精度下降。但零件的加工精度為±0.15mm，在曲面加工中屬于較高要求。

2.1加工難點

該零件有以下加工難點：

（1）材料表面強度高，切削時切削力大，對裝夾剛性要求高，但由于型面扭曲，且為懸臂結構，如采取常規的加工手段，缺乏裝夾定位基準不談，振刀問題無法消除;

（2）零件整體為薄壁件，裝夾容易變形，造成切削時裝夾力和切削力互相沖突，往往松開裝夾時零件回彈造成表面精度失效;

（3）零件邊緣壁厚極薄（僅為0.163mm），切削時易振顫，由于振刀嚴重影響表面粗糙度，使得表面粗糙度難以滿足設計要求，嚴重時可能由于表面啃刀造成零件報廢;

（4）型面表面曲率變化大（型面沿X軸呈10°夾角，Y軸夾角變化接近60°）坡度較陡，造成以下問題：切削時由于曲率變化大，造成吃刀量，實際進給量急劇變化，使得切削力急劇變化。加工時容易產生振刀、過切等問題。如圖3為0.2mm步距下，20°斜面與50°斜面實際切削距離對比，表一列出了各項參數值。

可見隨著斜面角度的增加，實際切削長度及切削面積不斷增加。

2.2解決措施

針對以上難點，采取了下列解決措施：

1、選取合理的裝夾方案

工件在機床上的裝夾精度是影響加工精度的重要因素，20%-60%的加工誤差是由裝夾引起的。因此合理選擇裝夾方案是滿足零件精度要求的重要前提。此零件幾何形狀較為復雜，型面沿不同軸線扭轉，需要通過設置工藝夾頭以達到裝夾目的。設置原則如下：

（1）夾頭應滿足裝夾最優化原理，在裝夾便捷可靠的前提下以最少的裝夾次數達到零件的加工要求，減少裝夾時帶來的誤差，使裝夾可靠，穩定性強;

（2）工藝夾頭應符合統一基準要求，便于加工時反復測量，實時監控裝夾變形和切削變形情況，便于加工參數微調和后續三坐標檢測;

（3）該零件為薄壁件，夾頭設置應增強薄壁處的剛性，減少裝夾變形并作為零件輔助支撐點。

結合以上原則，及零件外形特征，決定在展長方向連接塊及翹尖角處分別設置尺寸為δ20×95×300、δ20×30×77的工藝夾頭（圖4）。這種方法設置的夾頭具有以下優點：

（1）以夾頭為基準，便于操作時尋找加工原點，也便于后期三坐標檢測，而且只需正反兩次裝夾即可完成零件加工;

（2）鑒于零件加工時極易變形，加工過程中需實時監控零件變形情況，不斷修夾頭基準以控制零件變形，采用此方案設置夾頭，便于加工時精修基準，滿足加工需求;