淺析薄板類零件加工精度關(guān)鍵影響因素及其優(yōu)化改善措施

◇駐宜昌地區(qū)軍事代表室 胡曉峰

薄板類零件有著厚度薄、重量輕、強(qiáng)重比高等突出特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于軍工制造領(lǐng)域。然而，正是由于其厚度較薄，導(dǎo)致切削剛度低，在機(jī)械加工過程中工件極容易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致較大加工誤差。本文首先討論了此類零件的加工特點(diǎn)及不良影響，然后分析了其加工精度的關(guān)鍵影響因素，最后提出了相應(yīng)的改善措施。

1 引言

隨著我國(guó)新型工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。對(duì)于軍工制造領(lǐng)域而言，對(duì)零部件的設(shè)計(jì)和制造加工要求也越發(fā)嚴(yán)苛，在滿足強(qiáng)硬度的基礎(chǔ)上應(yīng)該盡可能變得輕薄，因此大量薄板類大型結(jié)構(gòu)件被使用在這些產(chǎn)品中。薄板類零件具有尺寸大、厚度薄、加工精度要求高及復(fù)雜的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系等典型特點(diǎn)[1]。正是由于其較薄的厚度，使得其加工剛度穩(wěn)定性低，難以滿足其高精度的需求，往往需要采用特別的加工手段，為機(jī)械加工工藝提出了新的挑戰(zhàn)[2]。然而，現(xiàn)階段這類薄板件的生產(chǎn)制造依然很大程度上仍然依賴數(shù)控銑削加工[3]。在銑削加工過程中，由于切削力的加載、自身呈現(xiàn)的弱剛性以及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差等多方面因素使得薄板類零件會(huì)呈現(xiàn)較大的讓刀變形，不可避免的造成加工誤差，從而導(dǎo)致零件尺寸超差達(dá)不到使用要求。這些挑戰(zhàn)不僅會(huì)制約產(chǎn)品的生產(chǎn)制造還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品更新?lián)Q代出現(xiàn)滯后。綜上所述，為了滿足薄板類零件較高加工精度的要求并提高生產(chǎn)率，需要進(jìn)一步研究加工變形的影響因素及改善方法。

2 薄板類零件加工特點(diǎn)及不良影響

2.1 薄板類零件加工特性

薄板類零件由于其結(jié)構(gòu)形狀、材料特性，有著不同的加工特性，可以從以下三個(gè)維度進(jìn)行總結(jié)：①形狀結(jié)構(gòu)特性薄板類零件長(zhǎng)度和寬度方向的尺寸往往較大，而厚度相對(duì)較薄，在銑削加工過程中，厚度方向的物料被去除導(dǎo)致加工剛度越來越低，加工質(zhì)量難以保證；②材料特性此類零件往往要求較高的強(qiáng)重比，因而常采用合金材料，此類合金材料的加工變形較為突出；③使用特性為保證此類零件的使用要求，其尺寸精度和配合精度往往要求較高，提高此類零件的加工及配合精度是提高使用性能的關(guān)鍵。

2.2 薄板類零件不良影響

切削加工過程的實(shí)質(zhì)是加工系統(tǒng)中各部分之間力和剛度的較量。在銑削加工過程中，由于切削力的加載、自身呈現(xiàn)的弱剛性以及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差等多方面因素使得薄板類零件會(huì)呈現(xiàn)較大的讓刀變形，不可避免的造成加工誤差，從而導(dǎo)致零件尺寸超差達(dá)不到使用要求。這一現(xiàn)象在待加工工件厚度很薄時(shí)顯得尤為突出，此時(shí)工件變形對(duì)切削力的變化較為敏感，嚴(yán)重的情況下，還未等到零件加工完成，工件已經(jīng)產(chǎn)生了較大的加工誤差，無法滿足預(yù)期加工精度。

3 薄板類零件加工精度關(guān)鍵影響因素分析

事實(shí)上薄板類零件加工是一個(gè)復(fù)雜彈塑性變形過程[4]，影響其加工精度的主要因素為切削力、工件材料以及加工工藝等，接下來分別從這三方面進(jìn)行分析。

3.1 切削力

在薄板類零件的加工過程中，切削力和加工系統(tǒng)剛度不斷較量，此類零件較低的加工剛度使得加工系統(tǒng)剛度處于下風(fēng)。切削力不但加載會(huì)使工件產(chǎn)生較大的變形，還會(huì)使刀具產(chǎn)生變形；此外，加工完成后工件會(huì)也發(fā)生彈性變形。這一系列復(fù)雜的耦合變形使得由切削力導(dǎo)致的加工誤差難以準(zhǔn)評(píng)估。

3.2 工件材料

薄板類零件往往要求具備較高的強(qiáng)重比，因此工件材料一般是鋁合金、鈦合金等“軟”材料，此類材料有著比強(qiáng)大、楊氏模量小等特點(diǎn)。這意味著其抗變形能力差，對(duì)切削力的抵抗力弱，而且當(dāng)零件尺寸較大時(shí)，這個(gè)缺點(diǎn)會(huì)被進(jìn)一步放大，從而導(dǎo)致加工誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，不能滿足要求。

3.3 加工工藝

加工工藝從多個(gè)方面影響薄板類零件的加工精度。首先，加工工藝確定了工件的裝夾方式，不合理的裝夾方式會(huì)使零件加工精度下降，并且由于此類零件厚度較薄夾緊力也會(huì)引起工件變形。然后，加工工藝也會(huì)決定走刀路徑和走刀次數(shù)，不同的刀路徑及走刀次數(shù)會(huì)使加工變形分布不一致，從而影響加工精度。最后，加工工藝決定工藝參數(shù)，工藝參數(shù)不同加載的切削力也會(huì)不同，因此工件產(chǎn)生的加工變形和彈性變形也會(huì)不一致。

基于上述分析，在加工的工件一定時(shí)，加工工藝是影響薄板類加工精度的主要因素，優(yōu)化加工工藝在一定程度上可以改善加工變形的發(fā)生，從而提高此類零件的加工精度。

4 薄板類零件加工精度優(yōu)化改善措施

下面從優(yōu)化加工工藝參數(shù)及實(shí)施加工誤差補(bǔ)償策略兩個(gè)方面分別進(jìn)行討論。

4.1 優(yōu)化加工工藝

（1）優(yōu)化工件裝夾方式。由于薄板類零件自身剛度低，裝夾力也會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生變形從而影響加工精度，通過優(yōu)化裝夾方式可改善裝夾力，從而減小裝夾對(duì)工件的影響。一方面可以通過實(shí)切實(shí)驗(yàn)來確定最佳方案；另一方面也可以建立有限元模型，模擬不同裝夾方式下的工件加工變形分布，并從中選取最優(yōu)方案。

（2）優(yōu)化走刀路徑。首先，擬定滿足加工條件的多個(gè)走刀方案，然后利用實(shí)驗(yàn)或有限元的方法獲得不同方案的加工變形分布，最后選擇協(xié)調(diào)加工變形和加工效率的最優(yōu)走刀路徑。

（3）優(yōu)化工藝參數(shù)。由于優(yōu)化工藝參數(shù)需要大量數(shù)據(jù)支撐，可以采用有限元法探究工藝參數(shù)對(duì)工件加工變形量的影響。然后采用極差分析法[5]對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，以確定各工藝參數(shù)對(duì)工件加工變形量的影響成都度。最后根據(jù)分析結(jié)果獲得零件銑削工藝參數(shù)的最佳組合。

上述方法一定程度上可控制加工變形量，從而減少加工誤差，但其改善效果有限，仍然有一部分材料由于彈性變形而無法被去除。

4.2 實(shí)施加工誤差補(bǔ)償策略

事實(shí)上，薄板類零件的加工誤差與切削過程密切相關(guān)，隨著名義切削深度的增加加工變形也會(huì)增加，由此造成的加工誤差與名義切深的選擇有關(guān)且存在著非線性函數(shù)關(guān)系[6]。因此，需要選擇更加合適的名義切深，使得實(shí)際切削深度更加接近設(shè)計(jì)余量，以實(shí)現(xiàn)加工誤差。首先，在刀具原走刀的基礎(chǔ)之上，按照變形程度和機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差為每個(gè)加工補(bǔ)償點(diǎn)確定額外的刀具附加的偏擺量，來補(bǔ)償因回彈和機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差導(dǎo)致的加工誤差；然后，通過數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)，一次走刀將殘余材料切除，以提高薄板件的加工精度。

實(shí)施加工誤差補(bǔ)償策略兼顧了工件變形導(dǎo)致的彈性誤差和機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)誤差，因而可以進(jìn)一步提高此類零件的加工精度。

5 結(jié)論

薄板類零件由于自身的弱剛性會(huì)引起工件變形，產(chǎn)生較大加工誤差，給生產(chǎn)實(shí)踐帶來極大的挑戰(zhàn)。為此，本文分析了薄板類零件的加工特點(diǎn)及不良影響，然后分析了切削力、工件材料以及加工工藝等關(guān)鍵因素對(duì)其加工精度的影響，基于此提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化改善措施，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有一定指導(dǎo)意義。