薄壁鏤空型工件的加工變形控制及工藝優(yōu)化

崔亞超

（北京精雕科技集團(tuán)有限公司，北京 102308）

薄壁型工件加工，材料去除率往往較大，由于剛性不足容易造成變形和振動(dòng)，引起表面粗糙度較差，所以一直是機(jī)械加工行業(yè)里面的難題[1]。從國(guó)內(nèi)外研究看，雖然關(guān)于此類零件加工的研究較多，但往往是針對(duì)工件的薄壁特征進(jìn)行加工理論分析或者針對(duì)影響薄壁加工的工藝系統(tǒng)精度指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值分析和有限元仿真[2]。而對(duì)于具體零件的加工解決方案和與多軸加工結(jié)合的研究目前涉及較少。尤其在薄壁的基礎(chǔ)上增加鏤空特征，加工難度進(jìn)一步加大，剛性不足造成的變形將更加復(fù)雜，以往研究中依靠填充材料的方法在實(shí)際加工工藝中變得難以操作。

以下加工試驗(yàn)摸索了多軸加工薄壁鏤空型工件的工藝條件，通過(guò)研究加工過(guò)程中影響加工表面質(zhì)量的因素，采用高速銑削、針對(duì)工藝系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和刀具路徑的優(yōu)化，很好地解決了工件側(cè)壁和底部的表面質(zhì)量控制難題，并能較好地控制底部曲面的變形，解決了多角度定位加工過(guò)程的銜接問(wèn)題。

1 加工對(duì)象

1.1 加工模型及要求

研究樣件為仕女模型，如圖1，尺寸為48 mm×48 mm×135 mm，采用自由曲面造型技術(shù)構(gòu)建。該工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，衣服裙帶、配飾等為全鏤空結(jié)構(gòu)，細(xì)節(jié)較多。琵琶頭部結(jié)構(gòu)精細(xì)，材料采用59 銅。該工件的外觀要求較高，接刀臺(tái)階不超過(guò)0.03 mm，表面粗糙度不大于Ra 0.8 μm。

圖1 仕女模型

1.2 加工難點(diǎn)

（1）仕女工件屬于細(xì)長(zhǎng)懸伸結(jié)構(gòu)，在多角度定位加工中易產(chǎn)生接刀臺(tái)階，若臺(tái)階較大，后期的打磨和拋光處理極易破壞曲面模型的細(xì)節(jié)部分。

（2）仕女模型細(xì)節(jié)較多，使用的切削刀具較小，刀具的剛性差，加工中容易出現(xiàn)刀具讓刀，引起表面質(zhì)量下降。

（3）衣服裙帶、配飾和琵琶部位的厚度很薄，大部分厚度約為1 mm，最小處0.8 mm，且使用的59 銅硬度只有HB 70～90，工件在受到切削力時(shí)容易產(chǎn)生變形，且由于間斷性的切削而產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致零件的表面粗糙度難以達(dá)到要求。

2 加工裝備

采用了動(dòng)梁龍門式結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)高速加工機(jī)床，機(jī)床主切削運(yùn)動(dòng)采用電主軸形式，最高轉(zhuǎn)速28 000 r/min。集成擺動(dòng)式直驅(qū)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，轉(zhuǎn)軸部分直接由轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。5 個(gè)軸分別為3 個(gè)直線軸XYZ、2 個(gè)回轉(zhuǎn)軸AC，工件裝卡結(jié)構(gòu)為四爪卡盤。

3 加工方案優(yōu)化及討論

仕女模型的加工，鏤空部位刀軸方向變化不連續(xù)，只能采用多軸多角度定位加工，因此在接刀過(guò)程中易產(chǎn)生臺(tái)階。而減小臺(tái)階的方法就是要提升工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化加工程序，繼而減小切削變形。以下討論的主要內(nèi)容包括：工藝系統(tǒng)的熱變形、刀具跳動(dòng)的影響和切削過(guò)程引起的工件變形[3]。

3.1 減小工藝系統(tǒng)熱變形

機(jī)械加工中，工藝系統(tǒng)在多種熱源影響下產(chǎn)生熱變形，從而破壞刀具與工件之間正確的幾何關(guān)系與運(yùn)動(dòng)關(guān)系，產(chǎn)生加工誤差，而這種誤差在加工中最直接的反映就是多角度定位加工時(shí)，兩個(gè)程序無(wú)法銜接[4]。所以機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的熱變形是關(guān)乎機(jī)床穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，下面將分析機(jī)床電主軸的熱伸長(zhǎng)和絲杠的熱伸長(zhǎng)對(duì)加工精度的顯著影響[5]。

3.1.1 電主軸的熱伸長(zhǎng)對(duì)加工精度影響分析

試驗(yàn)方法：電主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，Z向不運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)轉(zhuǎn)到穩(wěn)定運(yùn)行再過(guò)渡到停止進(jìn)行了兩個(gè)循環(huán)。電主軸冷卻采用普通制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)，恒溫26 ℃，使用動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x檢測(cè)，結(jié)果如圖2 所示，其中橫軸為時(shí)間軸，縱軸為電主軸轉(zhuǎn)子伸縮量數(shù)據(jù)。

圖2 電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)-穩(wěn)定-停止循環(huán)過(guò)程轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量隨時(shí)間變化圖

可以看出：在第一個(gè)循環(huán)中，電主軸旋轉(zhuǎn)開(kāi)始到穩(wěn)定的過(guò)程用時(shí)約15 min，在此階段電主軸一直緩慢伸長(zhǎng)；第15～35 min 共20 min 為穩(wěn)定階段，中間主軸伸長(zhǎng)量變換趨于平緩；從第35～57 min 共22 min 為停止轉(zhuǎn)速的階段，此階段的前8 min 左右?guī)缀鯖](méi)縮短，之后的14 min 緩慢縮短，共縮短約6 μm 左右（基本上呈現(xiàn)線性變化）。由于電主軸為刀具系統(tǒng)提供切削運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電主軸跟隨機(jī)床Z軸運(yùn)動(dòng)，在仕女模型加工中，電主軸的變化將遵從以上規(guī)律形成加工誤差。因此實(shí)際工藝設(shè)計(jì)中，要在加工開(kāi)始階段，充分考慮主軸在Z向的持續(xù)伸長(zhǎng)引起的加工深度變化。

3.1.2 絲杠熱伸長(zhǎng)影響加工精度分析

試驗(yàn)方法：先讓Z軸上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電主軸旋轉(zhuǎn)10 000 r/min，30 min 后伸長(zhǎng)基本穩(wěn)定，然后停轉(zhuǎn)并采用對(duì)刀儀（用于刀具參數(shù)的測(cè)量和調(diào)整）對(duì)刀的方式來(lái)測(cè)量刀尖點(diǎn)的伸縮。每隔30 s 檢測(cè)1 次，進(jìn)行了3 次試驗(yàn)。前兩次采用普通制冷機(jī)（定溫26 ℃），第三次采用變頻制冷機(jī)（定溫26 ℃，±0.5 ℃）。結(jié)果如圖3 所示。

圖3 刀尖點(diǎn)伸縮變化趨勢(shì)圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：主軸和Z軸停止運(yùn)動(dòng)后，3組中刀尖點(diǎn)均馬上出現(xiàn)收縮并呈現(xiàn)線性變化。普通制冷模式下的收縮量約為30 μm，而變頻制冷機(jī)收縮量小一些，約為25 μm。由于絲杠將帶動(dòng)機(jī)床直線軸的運(yùn)動(dòng)，絲杠的熱變形將引起刀具與工件相對(duì)位置的變化，造成加工誤差。因此，仕女加工工藝設(shè)計(jì)中，也要考慮這一部分的變形量補(bǔ)償。

3.1.3 減小接刀臺(tái)階工藝優(yōu)化

匯總主軸與絲杠的熱伸長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，針對(duì)仕女工件在多角度定位加工中易產(chǎn)生接刀臺(tái)階的情況，提出了優(yōu)化方案，見(jiàn)表1。

表1 工藝系統(tǒng)熱變形優(yōu)化方案

3.2 優(yōu)化刀具系統(tǒng)

刀具系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跳動(dòng)將引起工藝系統(tǒng)的振動(dòng)并直接降低工件加工的表面質(zhì)量。而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)跳動(dòng)的主要原因是電主軸的動(dòng)平衡和刀具的裝夾精度。仕女模型的加工由于使用的刀具比較小，而且刀具伸出的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，刀具系統(tǒng)的剛性較差，這會(huì)加劇不平衡量引起的加工質(zhì)量問(wèn)題[6]。

試驗(yàn)方法：采用D=6 mm的刀具，研究了刀具在裝夾中伸出30 mm 時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)跳動(dòng)距離的曲線，見(jiàn)圖4。在測(cè)量前檢測(cè)靜態(tài)跳動(dòng)為0.003 mm。

圖4 D6 mm 刀具伸出30 mm 時(shí)的動(dòng)態(tài)跳動(dòng)曲線

可得，刀具跳動(dòng)在主軸動(dòng)態(tài)時(shí)會(huì)比靜態(tài)時(shí)大2倍以上；在不同轉(zhuǎn)速下，跳動(dòng)量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果對(duì)59 銅材料試塊的加工測(cè)試了12 次，分析試塊表面粗糙度，記錄數(shù)據(jù)，繪制變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖5。其中試驗(yàn)的側(cè)向進(jìn)給量、背吃刀量和進(jìn)給速度保持一致。

圖5 不同轉(zhuǎn)速和振動(dòng)值下加工驗(yàn)證的表面粗糙度折線圖

由圖6 可得，主軸振動(dòng)在0.065 mm 時(shí)，工件表面粗糙度最小。也就是說(shuō)，采用振動(dòng)小的轉(zhuǎn)速加工出來(lái)的零件表面粗糙度值要整體偏小，穩(wěn)定性更高。因此，加工中要控制好刀具跳動(dòng)，減小主軸振動(dòng)。在仕女模型加工時(shí)，要先檢測(cè)刀具的跳動(dòng)量，控制圓跳動(dòng)在0.003 mm，刀具裝在電主軸上，并進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，保證不平衡量在G2.5 等級(jí)下，測(cè)量值在1.0 g 以內(nèi)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，控制電主軸振動(dòng)值不超過(guò)0.1 mm/s，使加工中表面粗糙度得到較好控制。

圖6 仕女加工分區(qū)圖

3.3 分區(qū)加工優(yōu)化程序

機(jī)械加工中，工件受到切削力作用產(chǎn)生變形將直接影響到加工精度，同時(shí)加工變形也會(huì)引起振動(dòng)，造成表面質(zhì)量下降和刀具破壞，所以薄壁鏤空件加工中，提升加工過(guò)程中工件的結(jié)構(gòu)剛性將十分關(guān)鍵[7]。為此，設(shè)計(jì)的工藝方案把模型分成4 段加工，如圖6，并采用了CAD/CAM 集成系統(tǒng)完成自動(dòng)編程。

模型加工的工藝方案是按照多軸定位加工思路分段進(jìn)行粗加工和半精加工，再進(jìn)行精加工。精加工時(shí)第1、2 區(qū)塊定義加工坐標(biāo)系采用多軸定位加工；第3、4 區(qū)塊采用多軸聯(lián)動(dòng)的加工方式，詳細(xì)工藝方案如表2。

表2 加工工藝方案設(shè)置

此次加工工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，切削刀具較小、剛性差，加工中容易出現(xiàn)刀具讓刀而產(chǎn)生加工誤差。刀軸方向的定義是減小誤差的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，定位加工時(shí)加工角度通過(guò)視角（三維圖形的觀察角度）方式設(shè)置，操作時(shí)要保證加工到位和刀具伸出盡量短（減小加工讓刀）。編程時(shí)則把視角方向設(shè)為工件坐標(biāo)系的Z軸方向，即加工中的刀軸方向。實(shí)際加工角度為21 個(gè)。

在第3、4 區(qū)塊，利用投影加工的原理生成聯(lián)動(dòng)刀具路徑。首先為復(fù)雜的曲面模型構(gòu)建近似的單一輔助曲面，再根據(jù)輔助面計(jì)算刀具路徑的刀軸方向，并把單一曲面上生成的刀具路徑根據(jù)刀軸方向投影到實(shí)際的加工曲面上去。

根據(jù)切削速度的計(jì)算公式[8]：

式中：vc為切削速度，m/min ；D為刀具上選定點(diǎn)的直徑，mm；N為轉(zhuǎn)速，r/min。

據(jù)式（1）可知：由于加工時(shí)刀具/工件位姿角部分位置不合理，有些位置會(huì)出現(xiàn)切削點(diǎn)落在球銑刀上線速度等于零的旋轉(zhuǎn)中心線上。故需要優(yōu)化刀具/工件的刀觸點(diǎn)位置，從而獲得更高的切削速度、切削線寬。

進(jìn)一步分析，仕女模型加工中，為避免刀具中心作為加工過(guò)程中的刀觸點(diǎn)，參照單一輔助面的曲面法向，優(yōu)化刀具/工件的刀觸點(diǎn)位置，調(diào)整刀具相對(duì)于切削方向的角度，包括調(diào)整前傾和側(cè)傾角度。這樣生成的刀具路徑可以很好地保證加工要求。

通過(guò)分區(qū)域多軸高速銑削完成加工過(guò)程，分析工件表面粗糙度可見(jiàn)，鏤空部位最大0.696 μm，非鏤空部位最大0.198 μm，滿足產(chǎn)品表面粗糙度要求，工件的加工效果如圖7 所示。

圖7 加工工件效果

3.4 討論

（1）薄壁鏤空型工件加工時(shí)，需要多次定位，微小的變形對(duì)工件就會(huì)產(chǎn)生較大的影響。減小工藝系統(tǒng)熱變形，可明顯提升機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)精度，減小多面加工的刀具銜接痕跡。對(duì)于精度要求較高的鏤空類零件，不可忽視工藝系統(tǒng)熱變形的影響。

（2）通過(guò)控制刀具跳動(dòng)、減小主軸振動(dòng)，使得仕女工件表面質(zhì)量明顯變好。這說(shuō)明對(duì)于復(fù)雜表面鏤空類工件，提高工藝系統(tǒng)剛性、減小工件變形是減小振動(dòng)和保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，具體實(shí)施中需要根據(jù)加工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和要求，摸索合適的主軸變速等加工參數(shù)，通過(guò)控制刀具跳動(dòng)量實(shí)現(xiàn)更高精密要求的加工。

（3）通過(guò)分區(qū)域加工，提高了工件加工過(guò)程中的剛性，解決了刀具銜接痕跡的問(wèn)題和加工薄壁鏤空件的變形問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

在多軸加工中，通過(guò)穩(wěn)定工藝系統(tǒng)熱變形、提高工藝系統(tǒng)剛性、避免重復(fù)裝夾和采用分區(qū)域等綜合優(yōu)化方案，提升了薄壁鏤空型工件的表面加工質(zhì)量。該方案區(qū)別于以往工藝人員對(duì)于加工過(guò)程的設(shè)計(jì)都著眼于于工藝步驟與工藝參數(shù)，不僅對(duì)薄壁鏤空型工件的加工給出合理的工藝路線，還把過(guò)程管控與之結(jié)合，這為金屬切削領(lǐng)域的從業(yè)人員提供了一個(gè)很好的參考樣本，拓寬了多軸精密加工的思路。