薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法

陳 祥

(江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校,南京 211300)

0 引言

分析薄壁零件數(shù)控加工工藝發(fā)現(xiàn),很多因素會對零件尺寸、精度及質(zhì)量產(chǎn)生影響(如裝夾機(jī)構(gòu)、切削工藝、走刀方式、工藝路線等)。為提高薄壁零件的加工精度,確保零件整體質(zhì)量達(dá)標(biāo),應(yīng)在分析影響因素的基礎(chǔ)上采取有效的方法及措施,對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。薄壁零件是由薄型板材與加強(qiáng)筋條構(gòu)成的輕量化金屬材料結(jié)構(gòu)零件,壁厚不超過1 mm,且壁厚與內(nèi)徑曲率半徑比值不超過5%。薄壁零件類型主要有完整結(jié)構(gòu)件、板類零件、圓筒形等,具有用料少、質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、實用性強(qiáng)等優(yōu)點,在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。大批量生產(chǎn)薄壁材料可采用數(shù)控加工技術(shù),以提高加工精度及生產(chǎn)效率。但其存在剛性弱、強(qiáng)度低、抗變形能力差等物理力學(xué)性能缺陷。如果薄壁零件出現(xiàn)變形,將導(dǎo)致無法正常裝配,降低使用價值,故在薄壁材料加工過程中,需通過試驗確定工件裝夾、刀具幾何參數(shù)、切削工藝、程序編制、環(huán)境溫度及零件材料初始?xì)堄鄳?yīng)力等參數(shù),消除引發(fā)零件變形的不利因素,保證加工精度[1]。

1 影響薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量的因素

1.1 裝夾固定

金屬材料剛度是影響薄壁零件加工精度的重要因素,加工過程中要綜合考慮零件受力與應(yīng)力變形情況,將夾具夾在特定的位置,通過固定零件來避免發(fā)生形變。但在數(shù)控加工中,僅采用裝夾方式固定零件無法徹底解決變形問題,故可采用增厚材料涂層的方式增強(qiáng)零件裝夾后的穩(wěn)固性,加工后再清除涂層。但這種方式會降低加工精度,尤其是在加工外型復(fù)雜的薄壁零件時,采用裝夾方式固定零件材料容易出現(xiàn)滑動,導(dǎo)致薄壁零件受力不均勻。

1.2 切削參數(shù)

數(shù)控加工薄壁零件時,切削參數(shù)設(shè)定對零件切削精度影響較大,適當(dāng)改變切削前后角度能夠減小零件形變量,降低切削過程產(chǎn)生的摩擦力,將零件尺寸誤差控制在允許值范圍內(nèi),達(dá)到加工精度要求。切削參數(shù)包括切削速度、進(jìn)刀速度及切割寬度。切削不同金屬材料零件需設(shè)定不同的切削參數(shù),根據(jù)多次試驗確定摩擦力大小,掌握材料加工變形情況,對數(shù)控機(jī)床切削加工工藝進(jìn)行改進(jìn),以滿足薄壁零件精度控制要求。

1.3 走刀方式

傳統(tǒng)的薄壁零件加工多以粗刀一次性加工為主,通過后期加工修正偏差。這種加工方式限制了走刀路徑,難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工要求,無法精確控制零件精細(xì)部分的尺寸。粗刀一次性加工會增加后期修正的難度,提高加工成本,影響生產(chǎn)效率。為解決這一問題,需在數(shù)控加工中改進(jìn)走刀方式及路徑選擇,在零件加工未發(fā)生變形時調(diào)整走刀,減少后期修復(fù)次數(shù)[2]。

1.4 工序工藝

數(shù)控加工工藝是提高薄壁零件精度的重要保障,加工過程中要了解金屬材料性能及變形規(guī)律,綜合考慮變形參數(shù),優(yōu)化設(shè)計加工工序與工藝路線。目前,機(jī)床加工大多沿用傳統(tǒng)的工藝路線,由于長期未更新工藝流程,很少引入新技術(shù),故而難以滿足高精尖薄壁零件加工需求,導(dǎo)致加工零件存在著質(zhì)量參差不齊的情況,阻礙了加工制造業(yè)的發(fā)展。

2 數(shù)控加工工藝質(zhì)量的改進(jìn)方法

2.1 提升零件裝夾工藝

裝夾對薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量有一定的影響,為確保加工質(zhì)量達(dá)標(biāo),應(yīng)采取有效的方法及措施,對裝夾進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。加大薄壁零件裝夾生產(chǎn)管理力度,防止因操作失誤引發(fā)質(zhì)量問題,全面優(yōu)化各項技術(shù)參數(shù),控制裝夾質(zhì)量,從而滿足薄壁零件數(shù)控加工生產(chǎn)要求,具體的優(yōu)化改進(jìn)方法如下:

優(yōu)化裝夾結(jié)構(gòu)。采用數(shù)控機(jī)床加工薄壁零件時,在主軸回轉(zhuǎn)的帶動下,裝夾會隨之一起回轉(zhuǎn),為使裝夾重心在整個加工過程中與主軸端部緊貼,要對重心加以控制,使慣性力與回轉(zhuǎn)力矩的大小達(dá)到數(shù)控加工精度要求。

控制懸臂長度。研究結(jié)果表明,數(shù)控機(jī)床主軸的懸伸長度與剛度成反比,即懸伸越短剛度越高,反之則越低。薄壁零件數(shù)控加工中,懸臂長度應(yīng)取較小值,以保證其剛度。實際生產(chǎn)中,可按數(shù)控加工精度要求控制機(jī)床主軸的懸臂長度。例如:加工薄壁套時,管外徑D=63 mm,主軸懸臂長度L與D的比值應(yīng)小于1.25,由此得到的懸臂長度剛度最高[3]。

平穩(wěn)連接。裝夾與主控機(jī)床之間的連接是否平穩(wěn),直接關(guān)系著薄壁零件加工質(zhì)量。優(yōu)化改進(jìn)過程中,應(yīng)盡可能消除影響二者穩(wěn)定連接的因素,確保零件加工精度達(dá)標(biāo)。

增強(qiáng)裝夾機(jī)構(gòu)的性能。應(yīng)遵循安全性、耐久性、可靠性等原則,合理選擇裝夾機(jī)構(gòu),在確保其剛度及強(qiáng)度的前提下增強(qiáng)其夾緊力,避免加工過程中發(fā)生脫夾等問題。耐久性高的裝夾機(jī)構(gòu),其變形損壞幾率相對較低,使用壽命較長。

2.2 改進(jìn)切削工藝

研究表明,薄壁零件加工后的變形量主要與切削工藝有關(guān),可對切削工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以達(dá)到控制變形的目的,具體措施如下:

合理確定軸向切深。數(shù)控切削加工中,切削力的大小主要與切削深度有關(guān),二者之間成正比關(guān)系,即切削深度增大切削力隨之增大。應(yīng)以確保切削效率為基礎(chǔ),使切削深度達(dá)到最小,從而減小刀具的切削力,降低零件變形量,使其達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍[4]。

控制進(jìn)給速度。進(jìn)給量是影響薄壁零件加工精度的主要因素,若是每齒進(jìn)給量范圍合適,則在該范圍內(nèi)的進(jìn)給量數(shù)值變化不會對加工尺寸精度造成影響,且每齒進(jìn)給量對切削力的影響與對薄壁零件尺寸變化的影響趨同。薄壁零件的材質(zhì)以鋁合金居多,切削加工時產(chǎn)生的熱量會引起材料的化學(xué)變化,從而生成一種新的物質(zhì),附著于薄壁零件表面的硬化層,當(dāng)每齒進(jìn)給量較小時,會導(dǎo)致切削過程一直在硬化層進(jìn)行,導(dǎo)致切削力增大,剪切滑移中的切削會被擠壓所代替,過大的切削熱量會對刀具的使用壽命造成不利影響,因此要嚴(yán)格控制進(jìn)給量,令其保持在0.22 mm/z左右,這樣產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最低,對薄壁零件加工質(zhì)量的影響最小。

優(yōu)選走刀路徑。切削加工時,刀具路徑對加工精度有一定的影響。為使該影響降至最低,應(yīng)對走到路徑進(jìn)行優(yōu)選。編制切削工藝時,應(yīng)以薄壁零件結(jié)構(gòu)作為走刀路徑選擇的依據(jù),按照如下方式選取刀具路線:保證薄壁零件剛度最弱部位受力最小,防止出現(xiàn)讓刀的情況,確保加工精度達(dá)標(biāo)。實踐表明,對稱加工對預(yù)防切削變形的效果較好,可將對稱加工作為首選,如圖1所示。

圖1 走刀路徑中的對稱加工

刀具通常會在零件表面做快速移動,因此進(jìn)退刀方式是影響零件加工質(zhì)量、刀具磨損程度及操作安全的關(guān)鍵因素。應(yīng)對刀具進(jìn)退刀方式進(jìn)行優(yōu)化,提高加工質(zhì)量,減輕刀具磨損,延長使用壽命,確保操作安全。數(shù)控加工薄壁零件輪廓及側(cè)壁時有兩種進(jìn)刀方式,即線性和圓弧。數(shù)控機(jī)床軟件程序通常會將進(jìn)刀方式選為直線,退刀方式選為圓弧,加工后的零件表面可見清晰的刀痕,如圖2所示。優(yōu)化后,將進(jìn)刀方式改為圓弧,零件表面質(zhì)量可得到大幅度提升,如圖3所示。與線性進(jìn)刀相比,在圓弧進(jìn)刀方式下,刀具的運行軌跡更加順暢,在提高零件表面質(zhì)量的同時,刀具得到了一定程度的保護(hù),使用壽命進(jìn)一步延長。

圖3 進(jìn)刀方式優(yōu)化后的加工效果

薄壁零件型腔結(jié)構(gòu)銑削常用的加工方法為行切法與環(huán)切法,采用這兩種方法加工能夠在不傷輪廓、不留死角的情況下完成整個內(nèi)腔面積的切削。但行切法加工會在進(jìn)給起止點處留下未切掉的金屬,對零件表面質(zhì)量造成影響。環(huán)切法的加工軌跡要比行切法更加平穩(wěn),粗糙度低。為確保零件切削過程的連續(xù)、平穩(wěn),避免切削力突變,可將環(huán)刀法作為首選,刀具移動方式調(diào)整為圓弧移刀[5]。

加工過程中對高度的控制需采用平面銑削的方式,其特點是刀具軌跡簡單,便于操作。平面銑刀最佳直徑為切削寬度的1.5倍,銑削零件平面時,刀具有兩種切削路徑,即單向和往復(fù),其中往復(fù)銑削刀具走S形路線,整個加工過程刀具只會抬起一次,減少了走空刀的時間,銑削用時少。但從加工后的零件表面來看,光潔度略低于單向銑削方式。單向銑削能夠獲得表面質(zhì)量較高的零件,但其每次走刀都要抬刀,導(dǎo)致銑削過程用時較長,生產(chǎn)效率降低。為實現(xiàn)優(yōu)化的目標(biāo),可將這兩種方式結(jié)合運用,達(dá)到最優(yōu)。

2.3 改進(jìn)工藝方案

薄壁零件數(shù)控加工對精度要求較高,為提高零件加工精度,應(yīng)對工藝方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),具體如下:薄壁零件要在數(shù)控銑床上對外表面進(jìn)行加工,根據(jù)設(shè)計要求完成鉆孔。對零件端面進(jìn)行粗加工,利用熱處理中的退火工藝消除零件應(yīng)力,再轉(zhuǎn)入精銑工序。防止新的加工應(yīng)力引起零件變形,粗加工與精加工應(yīng)開展銑削,通過反復(fù)消除,使零件中的殘余應(yīng)力得到充分釋放,消除刀具參數(shù)、載荷布置等因素對零件加工質(zhì)量的影響,以得到質(zhì)量達(dá)標(biāo)、精度合格的薄壁零件[6]。

3 結(jié)束語

數(shù)控加工是薄壁零件加工的主要生產(chǎn)方式,故加工工藝是影響零件質(zhì)量及精度的關(guān)鍵因素。為滿足應(yīng)用需求,應(yīng)分析影響薄壁零件加工工藝質(zhì)量的因素,采取有效方法及措施,對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),令薄壁零件整體質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。