數(shù)控加工薄壁零件加工方法及工藝改進(jìn)研究

潘曉晶

（常州科技經(jīng)貿(mào)技工學(xué)校，江蘇 常州213000）

在數(shù)控加工技術(shù)取得快速發(fā)展的背景下，薄壁零件加工需要達(dá)到更高水平，滿足零件高精密加工要求。但從實(shí)際加工情況來看，薄壁零件加工將受到裝夾、走刀等各種因素的影響，還要結(jié)合零件具體加工特點(diǎn)與要求提出科學(xué)的加工工藝，以便使零件加工質(zhì)量得到保證。因此，還應(yīng)加強(qiáng)薄壁零件數(shù)控加工方法及工藝改進(jìn)研究，從而通過優(yōu)化工藝嚴(yán)控加工精度。

1 數(shù)控加工薄壁零件的加工方法分析

1.1 加工流程

薄壁零件壁厚不超1mm，整體結(jié)構(gòu)緊湊，帶有剛性差、強(qiáng)度弱的特點(diǎn)，加工過程中容易發(fā)生變形，需要通過改進(jìn)工藝保證加工質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)加工工藝，采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行薄壁零件加工，通過科學(xué)設(shè)計(jì)加工流程能夠使加工誤差出現(xiàn)的可能性得到有效降低，從而使零件生產(chǎn)質(zhì)量得到保證。從數(shù)控加工流程上來看，可以劃分為粗加工、半精加工、精加工三個(gè)階段。對(duì)零件進(jìn)行粗加工，需要結(jié)合零件類型、特點(diǎn)進(jìn)行工藝選擇，如加工薄壁套通常采用粗銑外圓等工藝方法[1]。在完成零件初步加工后，可以進(jìn)行半精加工，處理薄壁零件次要表面，使其精度達(dá)到加工要求。對(duì)多余部分進(jìn)行去除，能夠使薄壁零件加工質(zhì)量得到提升。在精加工階段，需要實(shí)施細(xì)加工，如采用精銑外圓等方法確保加工精度能夠完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。薄壁零件通常擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在數(shù)控加工中將面臨變形控制的難題。因此，在數(shù)控編程前，需要通過建模對(duì)加工路徑、參數(shù)等進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，提出科學(xué)加工方案，使變形量得到有效控制。

1.2 加工方法

1.2.1 工藝設(shè)計(jì)

實(shí)際在對(duì)薄壁零件進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，需要完成數(shù)控仿真分析，對(duì)零件在加工過程中承受的負(fù)載陣列和變形關(guān)系進(jìn)行確認(rèn)，為工藝方法設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。按照F=KU 這一公式，能夠?qū)に囌归_分析。其中，F(xiàn) 為薄壁零件承受負(fù)載陣列，K 和U 分別為輕度矩陣和加工變形情況。對(duì)F 值進(jìn)行降低，對(duì)K 值進(jìn)行提高，能夠起到提高零件質(zhì)量的作用。而合理選擇材料使零件強(qiáng)度得到增強(qiáng)，能夠?qū) 和F 數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到采取適合工藝方法的目標(biāo)。通過仿真分析，可以找出所有造成零件變形的原因，結(jié)合受力情況提出改進(jìn)加工方案，使零件加工質(zhì)量得到保證。結(jié)合數(shù)控加工實(shí)踐可知，零件變形和表面加工精度主要受切削力影響。在以銑刀做主運(yùn)動(dòng)的過程中，一般保持高速旋轉(zhuǎn)，使零件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[2]。伴隨著零件供給和刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二者間的切削位置將時(shí)刻改變，導(dǎo)致零件承受不同切削力。對(duì)加工過程進(jìn)行仿真分析，采取科學(xué)加工方法，才能使多余材料得到切削的同時(shí)，有效控制加工質(zhì)量。利用有限元模型進(jìn)行銑削力加載，并對(duì)刀具幾何參數(shù)、切削量等不同工藝條件進(jìn)行設(shè)定，然后對(duì)不同參數(shù)條件零件變形情況進(jìn)行觀測(cè)，能夠?qū)η邢髁Υ笮∽龀鼍珳?zhǔn)判斷。從控制零件變形度的角度出發(fā)，對(duì)各種工藝參數(shù)條件進(jìn)行調(diào)整，最終能夠提出科學(xué)工藝方法，使零件加工質(zhì)量得到保證。

1.2.2 零件裝夾

對(duì)零件進(jìn)行加工，需要保證裝夾緊湊、懸深較短，以便使慣性力和回轉(zhuǎn)力矩得到有效控制[3]。因?yàn)檠b夾將隨著主軸旋轉(zhuǎn)，加強(qiáng)重心控制使其緊貼主軸頂端，才能使慣性力得到有效控制，避免回轉(zhuǎn)力矩過大，使加工精確度得到提升。根據(jù)零件情況進(jìn)行懸深長(zhǎng)度選擇，應(yīng)確保伸長(zhǎng)度能夠達(dá)到加工要求。確保裝夾強(qiáng)度、剛度達(dá)到要求，能夠避免出現(xiàn)脫夾、裝夾損壞等問題，使裝夾機(jī)構(gòu)具有耐久性和安全性，使零件與機(jī)床較好契合。此外，還應(yīng)避免因平衡或配重問題造成裝夾振動(dòng)，合理進(jìn)行減重孔或配重塊選擇，能夠使裝夾維持平衡，回轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)受到過大離心作用，以免加工誤差過大。

1.2.3 走刀控制

在薄壁零件切割時(shí)，需要合理選擇切割角度，保證切割前角度和后角度適合，只需較小力就能達(dá)到加工要求，以便使零件變形得到有效控制[4]。薄壁零件強(qiáng)度較弱，通常需要沿著壁側(cè)向90°方向進(jìn)行主偏角切割，使零件摩擦受損得到減少。在走刀路徑和切削量控制上，還應(yīng)結(jié)合表面粗糙度、主軸轉(zhuǎn)速等展開分析。如在薄壁套表面外圓加工時(shí)，根據(jù)粗糙度可以劃分為粗銑、半精銑和精銑，然后結(jié)合表1 對(duì)切削量進(jìn)行確認(rèn)。根據(jù)切削量對(duì)路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，粗加工可采用階梯式加工方法。如采用十二走刀路徑，使刀具沿著X 和Y 向平移，可以將多余材料去除。適當(dāng)增加刀具前后角，使摩擦和變形力得到有效控制，能夠降低零件變形幾率。

表1 切削用量選擇表

2 數(shù)控加工薄壁零件的加工工藝改進(jìn)

2.1 零件加工概況

如圖1 所示，某薄壁鋁合金筒類零件為典型通孔類箱體，零件長(zhǎng)370mm。在零件加工方面，需要完成Ф300mm 外圓加工，并進(jìn)行圓柱度0.032mm 內(nèi)孔加工。從加工精度要求上來看，表面粗糙度達(dá)到Ra0.4μm。采用鋁合金鍛材進(jìn)行零件加工，受材料性質(zhì)、零件結(jié)構(gòu)等因素影響，容易發(fā)生變形，造成圓柱度、粗糙度等要求無(wú)法滿足。在切削過程中，不僅將消耗過多能量，還將產(chǎn)生較高溫度。而材料導(dǎo)熱率較低，容易導(dǎo)致刀具出現(xiàn)高溫問題。此外，受材料凝焊性、硬化傾向影響，容易形成積屑瘤和硬化層，中間容易發(fā)生堵塞，造成表面光潔度受到影響。

圖1 零件圖

2.2 工藝問題分析

根據(jù)同類型零件數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝路線安排，需要先進(jìn)行粗銑加工，然后進(jìn)行半精加工，最后進(jìn)行精加工。在端面銑削加工完成后，可以進(jìn)行內(nèi)控銑削，完成內(nèi)控精加工，進(jìn)行表面處理。從工藝加工效果來看，內(nèi)孔圓柱度可以達(dá)到0.1-0.12mm之間，表面粗糙度在0.4-0.6μm 范圍內(nèi)，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。分析原因可知，箱體零件加工擁有較大余量，需要對(duì)80%的材料進(jìn)行去除，加工過程中容易產(chǎn)生較大應(yīng)力。在毛坯鍛造階段，零件經(jīng)過熱處理容易產(chǎn)生加工變形，造成幾何尺寸和形狀精度受到影響。在壁厚不斷降低的過程中，結(jié)構(gòu)剛性和裝夾等剛性有所降低，引發(fā)了切削振動(dòng)，造成尺寸公差無(wú)法得到保證。受徑向切削力作用，零件發(fā)生振動(dòng)和變形，不僅造成尺寸、形狀受到影響，也導(dǎo)致表面粗糙度無(wú)法達(dá)到要求。而孔加工存在較大余量，零件在加工過程中也容易發(fā)生裝夾變形，造成同軸度無(wú)法達(dá)到要求。從整體加工情況來看，出現(xiàn)了尺寸精度不良問題。分析問題產(chǎn)生原因可以發(fā)現(xiàn)，零件壁薄，難以承受原本夾緊力，因此出現(xiàn)變形情況。

2.3 工藝改進(jìn)措施

2.3.1 工藝方案改進(jìn)

考慮到零件加工精度要求較高，需要在數(shù)控銑床上進(jìn)行外圓加工、鏜孔等操作。按照先面后孔的原則進(jìn)行工藝加工，需要先對(duì)端面進(jìn)行粗銑，然后經(jīng)熱處理。采取退火熱處理工序消除應(yīng)力后，可以進(jìn)行精銑。在精加工階段，需要做好余量安排，避免因余量過多造成新的加工應(yīng)力產(chǎn)生，同時(shí)避免余量過少造成內(nèi)圓形狀無(wú)法修正。因此在粗加工和精加工階段，需要實(shí)施銑削加工，并通過2-3 天反復(fù)穿插去應(yīng)力工序，保證應(yīng)力得到充分釋放。利用ansysis17.0 有限元軟件進(jìn)行建模，能夠?qū)?shù)控加工過程進(jìn)行仿真分析，確定刀具參數(shù)、負(fù)載列陣等因素給零件加工的影響。結(jié)合分析結(jié)果，應(yīng)先完成外圓粗銑，然后進(jìn)行小孔和打孔鏜孔作業(yè)。為使孔粗糙度得到有效控制，精加工應(yīng)保持高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給，選擇較小吃刀量，并且最后進(jìn)行光一刀作業(yè)。實(shí)際在零件數(shù)控加工方面，還要結(jié)合零件加工特點(diǎn)進(jìn)行刀具、切削量等各方面具體選擇，以便使加工效果得到保證。

2.3.2 加工方法改進(jìn)

為保證零件加工質(zhì)量穩(wěn)定，還要選擇專業(yè)機(jī)夾刀具進(jìn)行零件加工，保證刀具剛性、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等達(dá)到要求，并且刀具材料與加工材料、切削參數(shù)等相互匹配。在刀具選擇上，需要利用刀桿細(xì)的立銑刀進(jìn)行加工，以免零件表面受刀桿損壞因素的影響。刀桿可以配置阻尼模塊，對(duì)刀柄彎曲變形振動(dòng)進(jìn)行吸收，使零件加工保持穩(wěn)定?？紤]到箱體長(zhǎng)度較大，需要利用斜導(dǎo)軌床身進(jìn)行加工，確保行程可以滿足要求，使刀架、主軸等位置定位精度控制在0.005-0.01mm 范圍內(nèi)。在箱體裝夾方面，考慮到斷面有足夠面積滿足裝夾要求，因此變形較小，還要解決孔加工的裝夾問題，利用三點(diǎn)扇形軟爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝夾，避免因受力發(fā)生變形。

在切削控制方面，需要根據(jù)毛坯硬度、刀具材料、銑床精度、零件直徑等進(jìn)行切削用量的選擇。在進(jìn)給量、背吃刀量有所增加的情況下，切削力也將增大，造成零件產(chǎn)生較大變形。所以還應(yīng)使背吃刀量得到減小，同時(shí)使進(jìn)給量有所增加，達(dá)到減小切削力的目標(biāo)。為避免工件表面產(chǎn)生較大殘余面積，使粗糙度增加，并因零件承受內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)變形情況，還應(yīng)在粗加工時(shí)適當(dāng)增加進(jìn)給量和背吃刀量，精加工階段將背吃刀量控制在0.1-0.3mm 范圍內(nèi)。在精銑過程中，應(yīng)保持適當(dāng)切削速度，使變形得到有效控制。在鏜孔過程中，需要采用與外圓銑削一致的幾何角，并采用稍大后角，避免刀面過高。做好斷屑槽選擇，并采用負(fù)刀傾角，能夠使切屑順利排出，避免影響加工表面。此外，需要選擇乳化液作為冷卻潤(rùn)滑液，在減小切削力的同時(shí)，增強(qiáng)刀具耐用度，使零件表面粗糙度得到減小。通過充分使用，能夠減少切削熱的發(fā)生，使零件加工幾何精度得到保證。

3 結(jié)論

從工藝改進(jìn)效果來看，采用改進(jìn)方法進(jìn)行薄壁零件加工，未出現(xiàn)振紋、變形等問題，能夠保證尺寸加工精度和表面粗糙度合格，可以滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合案例分析結(jié)果可知，在薄壁零件數(shù)控加工上僅憑經(jīng)驗(yàn)提出加工方法容易造成零件加工精度不高，甚至造成零件在加工過程中出現(xiàn)變形、損壞等問題，導(dǎo)致加工質(zhì)量和效率受到影響。加強(qiáng)數(shù)控加工仿真分析，通過分析和預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)工藝改進(jìn)，做好零件裝夾和切削控制，能夠通過優(yōu)化工藝取得理想加工效果。