環形薄壁鋁合金零件數控加工技術研究*

韓 軍 徐 睿 熊鳳生

(內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

薄壁零件具有質量輕、節約材料、結構緊湊等特點，但在加工中零件的剛性差、強度弱、極易變形[1]，而薄壁鋁合金材質零件更輕、更軟，加工的過程更加復雜，加工時間長，難以保證加工精度。對此，學者們進行了一系列研究，劉劍龍等[2]對框架類薄壁零件的總體加工工藝進行優化，為框架類薄壁零件的加工提供了思路；刁振華[3]對薄壁鋁合金箱體的研究，實現了該零件在加工中心上的高速、高質量加工；杜海清等[4]使用油泥填充薄壁零件型腔來代替夾具，可以在小規模生產中保證加工精度的同時降低成本。由此可見，制訂合理的加工工藝、設計適合的裝夾方式可以有效解決薄壁零件加工過程中出現的變形、精度低等問題影響工件加工精度的最主要因素為夾緊變形和加工變形，為減小變形，在粗加工階段采取預留出支撐體的方法避免工件與夾具直接接觸，在半精加工與精加工階段使用專用夾具。通過有限元分析驗證可行性，并且設計合理的加工工藝，進行編程和仿真加工，進而可以獲得較高的加工質量。

1 零件的結構分析

該環形薄壁鋁合金零件用于某型航空用電機內部連接器結構，有較高的表面粗糙度要求和精度要求，主要加工難點在于鋁合金材質剛性差會造成裝夾變形、加工變形。圖1為環形零件三維圖，該零件中間鏤空，呈環形，需要正反面加工，有臺階面及通孔，側面直邊上需要加工兩個螺絲孔和一個矩形連接器孔，注意該零件正反面略有不同，以區域1高于區域2的一面為正面，區域2高于區域1的一面為反面。

2 數控加工工藝制訂

環形薄壁零件由于毛坯材料特性、加工余量大小、環形壁厚度、裝夾方式等多方面的影響，在加工過程中容易產生變形，數控加工中的工藝設計決定了數控機床的使用效率、零件的加工質量、刀具數量和經濟性等問題[5]，所以要結合材料特點和零件結構特征進行充分的加工工藝分析，考慮到各影響因素，從而制定合理的加工方案。

2.1 加工工藝分析

該零件毛坯材料為7075鋁合金板，毛坯尺寸為180 mm×130 mm×20 mm，零件工程圖如圖2所示。主要加工面為零件正反面，加工精度、公差要求較高，未注圓角R3，未注公差按GB/T 1804-f。

粗加工要盡可能大地去除余量, 余量為正常工序間余量加上適當的變形量[6]，從毛坯到加工成型，要去除大量材料，加工余量大，加工時間長，易產生大量切削熱，引起工件變形，因此將外圍材料去除的工作分散到多次粗精加工過程中。由于零件外形不利于夾持，在正面粗加工時不能直接將零件外圍輪廓加工出來，需預留出支撐體，反面粗加工、半精加工、精加工時平口鉗夾持支撐體，以減小夾具與工件間的接觸應力，支撐體如圖3所示。

2.2 刀具選擇

零件加工需要經過銑、鉆、倒角等多道工序，要兼顧加工質量和加工效率，盡量減少換刀次數，結合零件結構和材料特點，選用高速鋼刀具，粗加工時選用直徑較大刀具，清角時刀具要小于圓角半徑，鉆孔前要先用中心鉆定位，詳細刀具卡如表1所示。

表1 加工刀具卡

2.3 加工工藝安排

按照“先面后孔，先粗后精，先主后次，基面先行”的原則，安排零件加工的工藝過程為：粗銑正面→粗銑反面→半精銑反面→精銑反面→半精銑正面→精銑正面。第一次正面向上裝夾階段，粗銑正面、銑出支撐體，粗加工正面鏤空部分時要分多層銑削；反面向上裝夾階段用平口鉗輕夾支撐體，粗加工、半精加工、精加工反面，鉆通孔和螺紋孔；第二次正面向上裝夾階段使用專用夾具，半精加工、精加工正面，銑掉支撐體；為更好地進行二次裝夾和校正，要在每一次裝夾加工結束后對棱邊進行去毛刺處理。加工工序卡如表2所示。

表2 加工工序卡

3 專用夾具設計和分析

零件最終成品的最薄處為2 mm，壁薄、材料較軟易變形等問題給工件裝夾帶來困難。在工件正面半精加工、精加工階段(第二次正面向上裝夾)，若采用壓板和螺栓固定工件，需要分兩次裝夾，首先在工裝板上用壓板壓住支撐體，如圖4b所示，加工完工件內部后卸掉壓板，再使用螺栓在工件內部通孔處固定，如圖4c所示，加工工件外部。

多次裝夾會降低加工效率和定位精度，需要對裝夾方式重新設計，在進行裝夾時，要保證以下幾點要求：

(1)零件夾緊后保證不變形或盡量小變形。

(2)要保證位置精度。

(3)便于裝卸。

分析該薄壁環形零件的結構，側面為一直邊和一圓弧邊，定位困難，精加工后的反面有通孔和小平面，并且要保證夾緊后工件盡量不變形，就需要在工件不易變形的方向上裝夾。第二次正面向上裝夾前反面已經精加工完成，反面區域1平面與支撐體反面平齊，可作為定位面，且有通孔可作為定位孔，因此采用一面兩銷定位，即在第二次正面向上裝夾時采用精加工后的孔和反面區域1平面及與其平齊的支撐體反面的組合進行定位。

在正面半精加工、精加工階段(第二次正面向上裝夾)設計了專用夾具作為改進方法，如圖5所示。在夾具體上方、下方右側對應的工件上方、下方右側φ6.5 mm通孔處分別穿入菱形銷釘和圓柱銷釘，菱形銷長邊與兩銷釘連心線垂直，兩銷釘頂部高度低于精加工完成后通孔高度，半成品工件反面的凸起部分(反面區域2)卡在夾具體的凹槽內，在區域3下方有凸起的墊塊，凹槽底部和墊塊頂部與半成品工件間有間隙，在間隙處涂抹黑膠來固定半成品工件，加工時可直接用平口鉗夾持夾具體，避免了與工件直接接觸。顯然使用專用夾具加工更加便捷。

在進行銑削加工時，工件會產生變形，因此對正面精加工、半精加工階段的壓板加螺栓固定和專用夾具固定兩種形式進行有限元分析、對比，驗證改進方法的有效性。切削金屬時的切削力受到多種因素影響，銑削力的經驗公式的通用形式為[7]：

(1)

式中：C為加工材料、切削條件系數，v是切削速度，ap是切削深度，f是進給量，aw是銑削寬度，d是刀具直徑。

將式(1)等號兩邊同時取對數，轉換為線性方程，得：

lgF=lgC+lgd+xlgv+ylgap+

mlgf+nlgaw

(2)

按照四元線性模型進行轉化，可得線性回歸方程為：

(3)

根據文獻[7]的數據回歸分析，可得到銑削力在x、y、z方向分力的指數公式：

(4)

根據現場實際試加工，影響零件尺寸精度的加工變形發生在半精加工外壁直邊時，即夾具改進前在通孔處用螺栓固定來半精加工工件外部直邊時以及使用專用夾具后半精銑外壁直邊時，將此時的切削深度ap=5 mm，進給量f=800 mm/min，銑削速度v=78 m/min，銑削寬度aw=1.5 mm，刀具直徑d=10 mm，沒有使用切削液，故取k=1，代入式(4)中可得Fx=81.0 N，Fy=134.7 N，Fz=27.5 N。

理論上切削力和理論約束力達到靜力平衡，但在實際加工中，要將銑削力計算公式[8]乘以安全系數K，實際約束力公式為：

(5)

K=K0·K1·K2·K3

其中，基本安全系數K0=1.5，加工性質因數K1=1.2，刀具鈍化因數K2=1.3，切削特點因數K3=1.0，鋁合金切削系數CF=167，修正系數kF=1.0，ae=0.05d=0.5 mm，每齒進給量af=0.08 mm，刀具直徑d=10 mm，齒數z=4，切削深度ap=5 mm，代入到式(5)中解得實際約束力為96.4 N。

在UG的有限元仿真分析模塊，對模型施加載荷和約束后進行求解，分析結果如圖6所示。通孔處用螺栓固定工件加工時變形量較大，最大變形量超過了0.19 mm，超出了公差要求；而采用了專用夾具固定的方法，最大變形量僅為7.8×10-3mm，符合公差要求。

4 主要加工面仿真和實驗加工

使用UG進行零件造型和編程后，利用Vericut軟件對該零件的主要加工面即正反面進行仿真加工，可以對UG的編程進行檢驗，以確保工件的加工準確性和可靠性[9]，仿真加工準確無誤后才能在機床上進行實際加工。

4.1 Vericut仿真加工

仿真加工具體操作步驟為：(1)將模型庫中的generic-3ax-vmill機床導入工位，選擇fan10m控制系統；(2)創建180 mm×130 mm×20 mm的毛坯，導入NX夾具；(3)根據刀具卡創建刀具庫,設置自動裝夾和自動對刀；(4)將UG后處理生成的程序代碼導入加工程序；(5)添加加工坐標，設置G代碼偏置。準備完畢后，進行仿真加工。

待程序運行結束后，在“分析”項目中選擇“自動比較”命令，設置“比較類型”為“過切和殘留”，設定檢查精度，自動檢查結果如圖7所示，結果顯示在設定的檢查精度范圍內成品工件與設計工件間沒有區別，沒有出現過切和殘留。

4.2 實驗加工

將后處理過的NC程序導入DMU50加工中心進行實際加工，工件實物如圖8所示，加工結束后使用三坐標測量儀對工件進行測量，部分尺寸測量結果如表3所示，符合加工要求。

表3 尺寸比較 mm

5 結語

通過對環形薄壁鋁合金零件的材料分析、結構分析，制定了較為合理的數控加工工藝；通過設置合適的加工刀具和工藝路線以及設計支撐體、專用夾具，有效地抑制了環形薄壁零件在加工過程中產生變形，提高了加工精度和效率；使用Vericut對主要加工面進行仿真加工，模擬真實加工環境，檢驗UG生成程序的準確性，最后進行上機加工，可有效避免加工風險，降低廢品率，也為其他同類型產品的加工提供了經驗和值得借鑒的方法。