劉宏，張永

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900)

現(xiàn)代產(chǎn)品制造過(guò)程中，由于產(chǎn)品減重等因素，許多零部件設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu)。由于薄壁零件具有低剛度的特點(diǎn)，在銑削過(guò)程中，工件變形是構(gòu)成加工誤差的主要因素[1]。對(duì)于薄壁零件的精密數(shù)控銑削加工，保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵是減小和控制加工中的零件變形。如何采用有效措施控制或減少薄壁零件的加工變形、保證加工質(zhì)量是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)，雖然有大量學(xué)者針對(duì)薄壁零件的加工變形分析與控制做了相當(dāng)多的理論分析與研究，也取得了一定的成果。但由于實(shí)際加工過(guò)程本身的復(fù)雜性，許多實(shí)際問(wèn)題需根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)與加工條件來(lái)采取不同的變形控制方法[2]。加工薄壁零件采用高速銑削是最好的，然而，高速銑削受機(jī)床條件的限制，目前大多數(shù)情況下仍采用普通數(shù)控銑削加工薄壁零件，依靠工藝策略控制加工變形來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。作者針對(duì)某大型精密儀器上的一個(gè)薄壁框體零件，采用工藝變形控制實(shí)現(xiàn)其在普通數(shù)控銑削機(jī)床上的精密加工。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

1.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1中的儀表盤是某大型精密儀器上的一個(gè)重要零件，該零件材質(zhì)為硬鋁，外徑為700 mm，其外邊緣、內(nèi)部各筋條以及腹板厚度均為2 mm，側(cè)壁轉(zhuǎn)角有R3與R5 兩種，底面轉(zhuǎn)角為R2，其結(jié)構(gòu)屬于薄壁框體類零件。

圖1 儀表盤結(jié)構(gòu)圖

1.2 加工難點(diǎn)分析

(1)精加工時(shí)裝夾困難。由于工件外徑較大、腹板及壁較薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，且加工后的區(qū)域在裝夾過(guò)程中易損傷、易變形。

(2)零件剛度弱，加工工藝性差。零件壁薄、筋細(xì)，整體剛性較差，在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，很容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，同時(shí)加工過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，難以保證工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

(3)零件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，側(cè)壁與腹板之間有R2的倒角，側(cè)壁之間有R3 和R5 兩種倒角，加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)圓角處加工質(zhì)量和精度不易控制等現(xiàn)象。

2 加工工藝方案

由于受機(jī)床條件限制，不能采用最優(yōu)的高速銑削，只能在普通數(shù)控機(jī)床上銑削該薄壁框體零件。為了避免精加工時(shí)零件的整體剛度太低，粗加工后所預(yù)留的加工余量比常規(guī)工件大，單邊均留量2 mm。同時(shí)合理安排熱處理工序來(lái)消除和減少毛坯內(nèi)殘余應(yīng)力、切削力和切削熱產(chǎn)生的應(yīng)力。在加工薄壁結(jié)構(gòu)零件的過(guò)程中，因應(yīng)力釋放極易變形，常將粗、精加工分開(kāi)進(jìn)行，并在粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力處理。

數(shù)控銑削該零件的總體工藝方案為:粗銑各面→粗銑凹腔，單邊留量2 mm→熱處理→半精銑各部位，保證各面以及轉(zhuǎn)角的留量達(dá)到均勻→精加工側(cè)壁與腹板各部位及各種孔。

3 加工變形工藝控制策略

數(shù)控粗精銑削過(guò)程中，影響工件變形的因素很多，如:工件定位夾緊形式、加工以及編程策略、刀具與切削參數(shù)等。對(duì)這些因素很難進(jìn)行定量判定，且隨著加工的進(jìn)行不斷變化，因素對(duì)變形的影響也在不斷變化。因此，從引起變形的原因入手，采取相應(yīng)的工藝方法，盡量減小加工變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 裝夾定位變形的控制策略

合理選取薄壁框體零件的裝夾定位方式，能夠減輕和控制工件銑削時(shí)的裝夾變形、加工變形和振動(dòng)。裝夾定位方式要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)選取。

3.1.1 定位面的選取

針對(duì)薄壁框體零件，在選取工件定位面時(shí)盡可能選擇大的平面作為定位面，保證工裝與工件的定位接觸面積盡可能大，確保工件定位面與夾具基準(zhǔn)自然、致密貼合，提高接觸剛度[3]。針對(duì)圖1所示的工件底面是一平面，選取底面作為定位面，與夾具的定位平臺(tái)緊密貼合。

3.1.2 裝夾布局

對(duì)于薄壁框體零件，裝夾布局的原則是保證工件在加工過(guò)程中可靠夾緊的前提下，采用盡可能小的、均布的夾緊力，適當(dāng)增加夾緊點(diǎn)的數(shù)目和增大夾緊力的作用面積;對(duì)于形狀規(guī)則的工件，盡量采用夾具與支撐呈對(duì)稱且較均勻分布的方案[3－4]。

針對(duì)圖1所示的儀表盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分區(qū)域裝夾，并使用通用壓板。為了增大夾緊力的作用面積、保護(hù)已加工表面、減少加工振動(dòng)、克服裝夾力引起的變形，在壓板與零件之間設(shè)計(jì)一種橡膠墊鐵來(lái)輔助壓緊裝夾。

圖2為定位裝夾示意，圖3為精加工夾具布局示意。

圖2 工件定位裝夾示意

圖3 精加工裝夾布局示意

3.2 加工過(guò)程控制策略

3.2.1 刀具

由于薄壁零件的剛性差，選擇刀具的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)時(shí)應(yīng)從減小切削力和切削熱、有利于提高切削的穩(wěn)定性和加工效率、保證加工精度和表面質(zhì)量來(lái)綜合考慮。采用整體硬質(zhì)合金刀具來(lái)銑削上述薄壁零件。粗加工時(shí)為了提高加工效率，一般選用直徑偏大的銑刀，根據(jù)圖1所示零件的結(jié)構(gòu)，選用φ20 硬質(zhì)合金立銑刀。精加工時(shí)使用小一點(diǎn)的刀具以減小切削阻力，減少零件變形，選用φ10 立銑刀精銑各腹板面，并采用φ6 立銑刀精銑各側(cè)壁以及清根處理。在刀具齒數(shù)的選擇上，為了利于排屑，在粗加工中選擇梳齒銑刀;而精加工時(shí)選擇密齒銑刀，有利于提高工件表面光潔度。

3.2.2 凹腔加工策略

3.2.2.1 進(jìn)刀與走刀策略

在薄壁的銑削加工過(guò)程中，采用較大的軸向切深和較小的徑向切深，可使切削過(guò)程處在剛性較佳的狀態(tài)[5]。采用環(huán)切方式加工引起工件腹板變形最小[6－7]。因此，加工凹腔時(shí)，銑刀從凹腔的中間位置以螺旋線方式下刀以減少垂直分力對(duì)腹板的壓力，在深度方向銑到尺寸，再?gòu)闹虚g向四周以環(huán)切方式擴(kuò)展至側(cè)壁加工余量。進(jìn)刀和走刀示意見(jiàn)圖4。

圖4 進(jìn)刀和走刀示意圖

此外，數(shù)控銑削一般采用順銑加工方式。順銑削時(shí)垂直分力始終向下，方向不變，具有壓緊工件的作用，銑削較平穩(wěn);順銑時(shí)刀刃切入工件是從厚處到薄處，刀刃切入容易，并且在刀刃切到已加工面時(shí)，對(duì)已加工面的擠壓摩擦也小，能較好地控制該腔體的內(nèi)腔尺寸精度。

3.2.2.2 間隔加工法

為了保證在加工過(guò)程中應(yīng)力均勻地釋放，控制加工變形，保證工件的平面度，凹腔加工的整體布局上采用間隔加工的方法。圖5為凹腔間隔加工法的走刀軌跡示意。

圖5 間隔加工法刀具軌跡圖

3.2.3 側(cè)壁加工的余量銑削法

由于薄壁框體類零件往往加工去除量大，粗加工一般采用較大直徑刀具，這樣在側(cè)壁圓角處就留有較大留量。為了保證精加工側(cè)壁的表面質(zhì)量，在拐角處盡量避免用刀具半徑直接靠，避免換向時(shí)產(chǎn)生短暫的停頓現(xiàn)象和刀具振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響[8]。因此，在側(cè)壁加工過(guò)程中，采用余量銑削法，保證精加工前的加工余量均勻，以致基本保證等體積切削，從而使精加工切削力保持恒定。余量銑削法，即在粗加工之后、精加工之前，對(duì)工件余量較大的拐角，采用小直徑刀具專門加工，以滿足精加工銑削余量均勻，使精加工時(shí)切削平穩(wěn)以獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

儀表板是典型薄壁框體零件，在不具備高速切削能力的情況下，采用普通數(shù)控加工，通過(guò)制定合理的工藝路線和采取有效的加工工藝控制策略，保證了其加工質(zhì)量。通過(guò)儀表板的數(shù)控銑削加工，得出結(jié)論如下:

(1)加工后的零件精度和表面質(zhì)量達(dá)到圖紙要求，裝配已驗(yàn)證完全滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，零件可以直接進(jìn)入裝配。

(2)合理進(jìn)行裝夾布局，能有效減少薄壁框體零件的裝夾變形和加工變形。

(3)優(yōu)選刀具、優(yōu)化走刀和進(jìn)刀方式可以減少薄壁框體零件的腹板變形。

(4)優(yōu)化各型腔的加工順序可以減少整體零件變形。

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