大型薄板類零件銑削加工技術研究

張斌 鞏麗 謝龍飛

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

大型薄板類零件剛性差、 易變形， 在銑削加工中， 其平面度控制難度大。 對于不同使用狀態下的薄板件， 其自身擾度的不同對加工工藝方法的影響也存在顯著不同。 在銑削加工中選取切實可行的工藝方法是保證大平面精度的關鍵要素。本文以某壁板為例， 就大型薄板件銑削加工的工藝方法及精度控制等進行研究。

1 結構特點及加工難點

某大型框架結構件， 外形13 500 mm×4 000 mm×200 mm， 屬于薄板加工范疇。 該薄板件加工精度要求較高， 平面度要求控制在0.1 mm 以內，且表面粗糙度要求達到Ra1.6。

通過該工件尺寸特性和試加工可以看出， 其加工難度主要集中在以下兩點：

（1）平面度0.1 mm 不易保證： 由于工件剛性差， 自身存在很大撓度， 由于加工狀態和使用狀態不一樣， 加工后工件撓度影響較大。 另外， 加工面大， 銑削過程中存在較大的熱變形， 加工后有接刀現象。

（2）粗糙度Ra1.6 很難保證： 由于該工件尺寸大、 厚度薄， 所以在銑削過程中千斤頂沒有支撐到的部位， 工件產生振動致表面留下大量振紋，粗糙度不達標。

綜上： 為保證某大型薄板件的平面度和粗糙度要求， 需要從降低工件撓度影響、 降低銑削振動對粗糙度的影響和降低銑削過程中的熱變形等三個方面解決問題。

2 工件撓度控制技術

由于尺寸大、 厚度薄、 自身剛性差， 大型薄板件類工件在裝夾過程中存在較大的撓曲變形，且對于不同狀態下使用的工件， 常出現加工狀態與使用狀態下的大平面平面度不一致的現象。 為確保薄板類工件的大平面平面度， 對不同裝夾狀態下的撓度影響進行分析。

2.1 裝夾方向與使用方向相同

這種情況多為該薄板作底板用途， 即精加工和使用時， 該大平面均向上放置。 由于此時工件的使用狀態和加工狀態一致， 故加工前后撓度基本沒有變化， 所以加工方法較為簡單， 在按照使用狀態下的支點裝夾固定工件后， 在大平面的中間段根據加工需要加輔助支點， 避免裝夾變形即可。 實踐證明： 該方式裝夾銑面后， 工件加工面未出現彎曲現象。

2.2 裝夾方向與使用方向相反

這種情況多為該薄板作頂板用途， 即精加工時， 大平面向上放置， 但使用時該面向下放置。由于加工狀態和使用狀態下的撓度方向剛好相反，撓度對薄板的最終成型公差影響較大， 因此在制定裝夾方案是必須盡可能降低撓度的影響。

粗加工階段， 工件毛坯表面高低不平， 工件的撓度值測量不準， 應采用一定工藝方法盡可能消除表面不平所帶來的撓度干擾。

首先， 將薄板工件按加工面向下、 背部向上狀態放置， 在背部打基準。 此時， 各基準間至兩端存在不同的距離， 記為X1、X2、X3....。 同時，將毛坯高低不平帶來的差值記為δ， 工件的理論撓度為f1， 見圖1， 故有式（1）。

圖1 加工面向下方式示意圖

工件翻身， 使其加工面向上、 背部向下放置。用百分表記錄此時各基準至兩端的距離， 記為Y1、Y2、Y3....， 工件的理論撓度為f2，見式（2）和圖2。

圖2 加工面向上放置示意圖

根據材料力學， 撓度值f計算見式（3）。

式中：q為均布載荷值；L為梁的長度；E為彈性模量；I為轉動慣量。 由式（3）可知： 對于同一工件， 其q、L、E、I均相等。 因此， 該薄板工件翻身前后的撓度值相等， 即f1=f2。

以其中一個基準點X1和Y1為例，X1+Y1=（f1+δ）+（f2-δ）， 因f1=f2， 故f=1/2（X1+Y1）， 即工件的理論撓度值等于翻身前后各基準至兩端距離之和的一半。

在工程實踐中， 將薄板工件兩端支撐， 分別測量并記錄加工面向下時背部各基準至兩端的距離X1、X2、X3....， 以及加工面向上時， 加工面各基準至兩端的距離Y1、Y2、Y3....。 在薄板工件底部基準點部位支千斤頂并架設百分表， 將千斤頂向上頂， 直至百分表數值為（X1+Y1）、 （X2+Y2）、（X3+Y3）……的1/2， 即調整至最佳狀態。

在薄板工件精加工狀態時， 因加工面或背部面上各基準等高， 調整方法簡化， 即：

（1）將工件按使用工位進行放置， 兩端支撐，盡可能模擬工件的使用狀態， 并在此基礎上在工件背部銑多處基準面， 見圖3。

圖3 加工面向下加工示意圖

（2）工件翻身， 將工件按加工狀態放置， 即加工面向上， 見圖4。 此時需在原背部各基準點附近增加千斤頂支撐， 按照上步打好的基準找水平，直至所有基準點都處于水平， 用塞尺檢查支撐點與工件的接觸， 接觸不實的地方， 需采取措施壓緊全接觸。 按此方式調整完畢后， 銑削大平面。按此加工后， 整個加工面的平面度為0.08 mm， 滿足設計要求。

圖4 加工面向上加工示意圖

3 銑削振動控制技術

在銑削加工過程中， 銑刀刀片會對工件施加較大的軸向力， 且該軸向力隨著刀片著力點的變化而變化。 由于大型薄板件剛性差， 極易造成加工過程中的振動。 某大型壁板精銑時， 其大平面出現大量振紋。 經檢查發現這些振紋出現的部位大多集中在大平面背部未放置千斤頂的區域。 為此， 增設支點減少加工振紋。 為避免增加支點對工件產生強制變形， 在增加支點時使用百分表對新增支點處進行監控， 確保新增支點處與大平面其余區域的平面度在0.05 mm 以內。 經實踐， 使用上述措施后， 某大型壁板精銑時的振動現象大大改善， 振紋完全消除， 經檢測表面粗糙度為Ra1.2， 滿足Ra1.6 的設計要求。

4 熱變形控制技術

大型薄板件尺寸大， 大平面銑削面積大， 刀盤銑削走刀時間長。 刀盤與工件大平面長時間摩擦受熱后， 刀片易損傷， 且極易產生工件的熱變形， 進而造成工件平面度超差。 某大型壁板在試加工后發現： 由于熱變形的原因， 加工表面產生0.2～0.5 mm 的接刀臺階， 且精光刀片磨損嚴重。為此， 針對造成熱變形的冷卻不足、 刀片摩擦力過大等主要原因， 制定解決方案如下： （1）加大冷卻液流量， 在銑削過程中始終加到最大； （2）及時更換冷卻液， 減少由于冷卻液長時間使用造成的失效影響； （3）減少摩擦受熱： 將R 刀片換成尖刀片， 減少刀片切削時的阻力； （4） 改變切削參數：將刀盤轉速從100 r/min 提高至400 r/min， 精加工的吃刀量由0.5 mm 降至0.2 mm， 采用高轉速、 低吃刀量可以將發熱的鐵屑迅速帶離工件， 從而實現降溫的目的。 通過上述方案的實施， 工件加工區域附近溫度明顯降低， 接刀處痕跡檢測僅為0.01 mm， 熱變形造成的影響得以解決。

5 結束語

本文以某大型薄板件為研究對象， 從降低撓度影響、 振動影響以及控制熱變形3 個方面提出了薄板銑削加工過程中平面度控制的有效工藝方案， 并經過實踐可行性論證。 該工藝方法可以推廣應用至類似大型薄板類工件的加工中。