淺談數控銑削薄壁類零件加工工藝

摘要：在數控技術高速發展的今天，零件設計加工難度越來越高，薄壁類零件便是其中之一。針對一款薄壁類外殼加工時遇到的困難，通過對夾具的制作、刀具的選用、切削參數的調整等做了深入的研究，成功地解決了問題，可為以后這類零件的加工提供參考。

關鍵詞：薄壁類零件;加工變形;加工工藝;夾具制作

0" "引言

在數控技術高速發展的今天，零件設計加工難度越來越高，薄壁類零件便是其中之一。輕量化、薄壁化、高強度、耐腐蝕是薄壁類零件的幾大優點，但這同時也導致了它存在剛性差、強度弱等不足，在切削力和切削熱的作用下，極易產生變形，影響零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，難以達到零件的設計要求[1-2]。針對一款薄壁類外殼加工時遇到的困難，通過對夾具的制作、刀具的選用、切削參數的調整等做了深入的研究，成功地解決了問題，可為以后這類零件的加工提供參考。

1" "零件概況

某零件連接器外殼是典型的薄壁類零件，加工材料為航空鋁合金2A12，如圖1所示。這款零件加工難點主要有兩點：一是正面兩邊薄壁輪廓較薄，壁的整體厚度僅有1.295mm，且還需要在這1.295mm的薄壁上加工出0.51mm的“U”型通槽，這是此零件最關鍵的難點所在。其反面也是一個0.5mm的薄壁，這又提高了加工難度。二是在加工時既要考慮到零件的變形，還要考慮到加工需要多次調面可能產生位置誤差。為此零件加工時要制作合適的夾具，并選擇合適的刀具，制定合理的走刀路線及切削參數。

2" "制定加工方案

2.1" "加工編程軟件的選擇

加工采用CAM進行編程，UG軟件是一款集CAD/CAM/CAE于一體功能強大的軟件，由于其對硬件的要求不高，而且操作方便、易學易用，因此深受大部分企業和個人用戶的喜愛，廣泛應用于機械設計、航空航天件加工等領域。它具有二維的平面幾何圖形設計、三維曲面設計、刀具路徑模擬、實體加工模擬等強大功能，是全球范圍內運用最廣泛的設計軟件之一。

2.2" "加工工藝選取

高速銑削采用較快的銑削速度和進給速度，能夠加工比較硬的材料，例如鎳基合金。同時，大多數的零件能夠在一次裝夾中完成粗加工、半精加工和精加工所有工序，對于那些表面要求高且復雜的曲面零件可以一次加工到位，可以節省下大量的時間，有利于提高生產效率。

高速銑削加工必然要用到具備高剛性和高精度的機床完成。高速銑削采用的是高轉速、小切削量，為此工件受到的切削力較小，變形量小，加工精度高。同時高速銑削的切削深度小，進給速度快，故其表面質量高，容易滿足設計要求。

高速銑削對機床的要求較高，需要特定的機床。同樣，對刀具的加工性能也是有一定要求的。對加工工藝的制定也是有高要求的，并需要有豐富加工經驗人進行加工。一旦機床發生故障，維修時間長且費用較高。

考慮到該零件對精度要求高、剛性差、加工余量大，加工時極易產生變形，為了避免顫振和變形，決定采用高速銑削加工。即利用較高的主軸轉速和功率狀態，通過調節不同的刀具懸伸長度，來調節機床刀具與工具系統的自然頻率，避開切削振動頻率，以較大的軸向切深進給銑削深腔和側壁，從而提高加工效率。實踐證明，采用這種方法可保證較大的金屬去除率和較好的表面加工品質。

走刀路線是優化加工時間和提高加工質量的重點，在高速銑削加工時要特別注意走刀路線的安排，即刀具加工軌跡要盡可能簡化，少走彎路，不要走空刀。例如采用深度優先的策略，減少刀具切入、切出的時間，提高切削效率，減少加工時間。

2.3" "設備選用

設備選用的是立式數控加工中心。該立式數控加工中心主軸采用擁有多項專利核心技術的內冷、內潤滑系統，具有卓越的動態平衡性能，可長時間保持機床加工精度。具有牧野新加坡最新的X、Y軸絲桿軸承及馬達支撐面油溫控制功能，可防止運動部件的溫度超標，使工件的加工精度以及表面質量達到較高水平。其采用無懸臂的機械設計，加工點和各個軸之間的距離很短。全行程定位精度達到±0.0015mm，全行程重復定位精度達到±0.001mm。采用了牧野獨有的SGI.4超級幾何控制功能，可控制機床沿著指令軌跡精確運行，將模具三維型面的加工效率與精度發揮到極致。

2.4" "加工工藝流程

加工該款零件大致分為3步：一是毛坯料加工，二是加工反面二序，三是加工“U”型通槽。

2.4.1" "毛胚料加工

用經過時效調質處理后的航空鋁合金2A12毛胚料加工。之所以需要進行時效調質處理，是為了進一步提高材料的強度和硬度并降低塑性，以去除材料的內部應力，減小零件后續加工時彎曲變形的概率。首先進行一序正面加工外輪廓開粗加工，再進行內腔輪廓開粗加工，最后內外輪廓精修到位。零件的一序加工如圖2所示。

2.4.2" "加工反面二序

接下來是制作一款定位夾具加工反面二序。因為零件材料是鋁合金，所以不能直接夾在虎鉗上，否則定會造成零件變形，并導致外觀不良。制作夾具材料選用的是電木，電木具有較高的機械強度，但其強度又不大于鋁合金，所以不會在虎鉗加持力下變形，也不會對零件外觀造成影響。其加工后的表面粗糙度比較高，能夠有效提高裝卡效果，保證零件的外觀質量。且電木較為廉價，有利于降低加工成本。

夾具的加工方案是在兩塊等高的電木中間銑加工出一個大于零件正面凸臺外形0.01mm的型腔，并在夾具中間塞入一張0.07mm的薄紙片，利用薄紙片的間隙驗證零件裝卡到位。

然后用一序加工面對接好夾具的底端面，且要合理裝配，保證零件不會松動，確保四面壁不在切削力影響下產生變形。在后續批量加工時，需要利用夾具的型腔為基準定位加工。零件的二序加工如圖3所示。

2.4.3" "加工“U”型通槽

最后加工這款零件最難的0.51mm“U”型通槽。加工前同樣需要制作夾具，在兩塊等高的電木中間銑削加工出一個大于零件底面0.01mm的型腔。還是在夾具中間塞入一張0.07mm的薄紙片，利用薄紙片的間隙保證零件的裝夾到位，能將零件完全放入型腔中。然后再用電木加工出一個小于零件上部內型腔0.01mm的塞子，把塞子塞入型腔里，保護零件內腔不會因夾持力和銑削力的影響而變形。同樣利用夾具的型腔定位進行后續的批量加工。零件的三序加工如圖4所示。

3" "切削參數的選擇

一序先加工正面輪廓，開粗采用Φ8的硬質合金立銑刀，轉速為5000r/min、進給速度為500mm/min，銑削深度為1mm，單邊余量0.1mm。精修內外輪廓時采用Φ4的硬質合金立銑刀，轉速為8000r/min，進給速度350mm/min，銑削深度為0.5mm。

在二序加工內腔，先用Φ4的硬質合金立銑刀對內腔進行粗加工，將上下兩個臺階部分都加工到留有0.1mm的余量即可。加工時轉速為8000r/min，進給速度為350mm/min，銑削深度為0.3mm。再用Φ0.8的硬質合金立銑刀進行精修到位，采用高速銑削。轉速為18000r/min，進給速度為350mm/min，銑削深度為0.05mm進行加工。

三序加工一序面上的0.51mm通槽，用高速銑削切削，將零件直接加工到位。加工時轉速為20000r/min，進給速度為350mm/min，銑削深度為0.05mm。

4" "刀具的選擇

刀具的選擇以及刀具的涂層、材料、結構都是影響切削性能的關鍵因素，對加工效率、加工質量以及加工成本都有著極大影響。高速銑削的刀具不僅應具備良好的耐磨性、耐熱性、抗沖擊性，還應具備較高的力學性能、強度、韌性、抗氧化度，同時經濟性和可靠性也應十分出色。每種刀具都有最適合它加工的材料和合適的切削速度，同種刀具材料加工不同的材料時，刀具的壽命往往有著很大的差距。

目前在高速銑削方面，硬質合金刀無疑是當前主流刀具材料。硬質合金涂層刀具有著優良的切削性能和耐磨性，在高速銑削領域只占據主導地位。考慮到薄壁類零件的結構和工藝特點，刀具的幾何結構參數也是至關重要的。不同的刀具加工不同材料的工件，刀具最佳的幾何參數也在不斷變化。

薄壁類零件的不足之處在于剛性差、易變形，所以選擇刀具時，需從有效減少切削力和切削熱，提高切削的穩定性和加工效率，保證加工精度和表面質量來綜合考慮。粗加工時選擇一把直徑稍大的銑刀開粗即可，以有效的提高加工效率。對于加工難度較大的0.51mm的“U”型槽，應選擇螺旋角小（30°）、刀刃少（2刃即可）刀尖半徑圓弧大、主偏角大以及刀具直徑小的刀具。經過綜合考量，確定刀具選用歐士機（OSG）的新DLC涂層2刃短刃型銑刀。這種新型涂層具備質量穩定，與基體結合力好，耐磨性好，非常適合高速銑削加工鋁合金材料。

5" "冷卻和潤滑

切削液在銑削加工中的作用是為了降低工件和刀具的溫度，對刀具表面和工件表面起到潤滑、冷卻的作用，從而減少刀具的磨損和對工件的摩擦，提高刀具的使用壽命及工件的表面質量，并帶走切削面上的積屑。

高速銑削同樣需要科學選擇切削液。本次加工的工件材料是鋁合金，這種材料的硬度雖然沒有鋼件高，但是黏性較高，切屑容易粘在刀具上，從而加劇刀具的磨損，影響加工質量。經過篩選對比，最終決定采用飛奧808型合成切削液。

6" "結論

輕量化、薄壁化、高強度、耐腐蝕是薄壁類零件的幾大優點，但這也同時導致了它存在剛性差、強度弱等不足，在切削力和切削熱的作用下，極易產生變形，影響零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，難以達到零件的設計要求。

本文通過對零件分析、夾具制作、刀具選擇等方法，有效控制薄壁類零件變形，并結合實際完成了薄壁類零件的加工工藝研究，有效保證了零件的各項精度要求，為類似的薄壁類零件加工積攢了寶貴的經驗。

參考文獻

[1] 鄭聯語，汪叔淳.薄壁零件數控加工工藝質量改進方法[J].航空學報，2001（5）： 424-428.

[2] 張本忠. 薄壁零件數控加工工藝質量的改進方法[J].現代制造技術與裝備，2016（5）： 85-87.