張文勇

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薄壁零件加工教學(xué)

張文勇

摘要：薄壁零件應(yīng)用廣泛，一般使用沖壓機(jī)床加工，但薄壁零件的數(shù)控加工比較困難，因?yàn)槠鋭傂圆睿鬃冃?。教師可以利用手頭的工具來(lái)加工“旋鈕”薄壁零件，充分利用身邊的資源向?qū)W生展示如何用數(shù)控銑床加工薄壁零件，讓學(xué)生親自加工來(lái)加強(qiáng)體會(huì)，了解薄壁零件的加工工藝和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：薄壁零件；加工工藝 ；電腦編程

一、引言

零件在加工過(guò)程中由于各種因素導(dǎo)致變形是無(wú)法消除的，零件在加工中變形的大小除了與零件本身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)有關(guān)系外，也與加工中零件的裝夾方式、刀具選用、切削用量及冷卻液的選擇等有很大的關(guān)系。材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與其用途有關(guān)，有時(shí)是無(wú)法取代的，因此，我們?cè)诹慵牧弦欢ǖ那闆r下，必須從加工過(guò)程中想辦法，比如采用正確的裝夾方式、合理選用刀具、切削用量、冷卻液等，這些是減少零件變形的關(guān)鍵所在。

薄壁零件變形最大，最難控制，主要原因是薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在加工中極易產(chǎn)生變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。由于薄壁零件重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用極為廣泛。因此，為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)加工薄壁零件，筆者特意選擇了結(jié)構(gòu)不容易變形、精度要求不高、表面曲面粗糙度要求較高的旋鈕圖案(圖1)。

圖1　旋鈕圖案

二、工藝分析

零件材料為鋁合金。

零件結(jié)構(gòu)分析：零件總體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但屬于薄壁腔體零件，壁厚僅有1mm。加工中要去除大部分材料，會(huì)產(chǎn)生銑削熱量，從而導(dǎo)致零件產(chǎn)生熱變形，這一點(diǎn)是我們制定工藝方案前必須考慮的。薄壁零件加工的影響因素主要還有以下幾個(gè)方面：

① 裝夾時(shí)零件產(chǎn)生彈性變形，嚴(yán)重影響加工表面的幾何精度和位置精度；

② 切削力作用使零件產(chǎn)生變形；

③ 機(jī)床、附件、夾具本身剛性不足，影響加工精度；

④ 切削振動(dòng)也是造成加工誤差的重要原因；

⑤ 零件的厚度要保證均勻；

⑥ 保證零件表面的粗糙度。

上述諸原因，我們?cè)诩庸で熬鸵鹨唤鉀Q，制定加工的方案。

我們加工采用的數(shù)控銑床是發(fā)那科系統(tǒng)的華亞數(shù)控銑床，轉(zhuǎn)速最高為6000r/min，進(jìn)給最高F為8000mm/min，裝夾工件只有平口鉗，銑刀材質(zhì)為高速鋼,毛坯為70X70X20mm。

三、加工過(guò)程

1.選擇裝夾方式

由于該零件屬于腔體薄壁零件，在銑削加工中不能按常規(guī)采用平口鉗裝夾，因?yàn)槠娇阢Q裝夾使零件受力情況不理想。零件在加工中隨著大部分材料的去除，其垂直受力方向有變，因而產(chǎn)生變形。但是工件并沒(méi)有對(duì)精度要求很高，保證視覺(jué)上的完整就可以了，我們也只有平口鉗可以裝夾，因此，在教學(xué)過(guò)程中，選擇了平口鉗裝夾的方式。為了避免夾壞工件，要求力度不能太大，工件用銅片包裹裝夾，裝上平口鉗以后用手大力搖不動(dòng)就行。剛開(kāi)始加工由于毛坯比工件高出8mm，所以只要裝夾4～6mm就可以了。

2.對(duì)刀方法

無(wú)論正反面，都是利用平口鉗的平面作為Z軸高度基準(zhǔn)來(lái)對(duì)刀，比如：毛坯安裝以后，最高面到平口鉗平面的高度為15.7mm，對(duì)刀的時(shí)候把這個(gè)高度差定為15mm，通過(guò)機(jī)床坐標(biāo)來(lái)把Z軸零點(diǎn)設(shè)在毛坯表面，更換刀具的時(shí)候統(tǒng)一用這種方法，避免了加工后的毛刺妨礙Z軸對(duì)刀儀的擺放，又可以迅速更換刀具，保證了對(duì)刀的精度。

3.刀具選擇

數(shù)控加工對(duì)夾具的要求可以從以下兩個(gè)方面考慮：盡可能做到在一次裝夾后能加工出全部或大部分待加工表面，盡量減少裝夾次數(shù)，以提高加工效率和保證加工精度；盡量采用組合夾具、通用夾具，避免采用專(zhuān)用夾具。

刀具的選擇要求如下：要根據(jù)零件材料的性能、加工工序的類(lèi)型、機(jī)床的加工能力以及準(zhǔn)備選用的切削用量，來(lái)合理地選擇刀具。例如，對(duì)于銑削平面零件，可采用端銑刀和立銑刀；對(duì)于模具加工中常遇到的空間曲面和銑削，通常采用球頭銑刀或帶小圓角的鼻型刀。立銑刀有平頭刀(r=0)、球頭刀(r=R)和鼻型刀(r

圖2　立銑刀的三種類(lèi)型

在凹形輪廓銑削加工中，選用的刀具半徑應(yīng)小于零件輪廓曲線(xiàn)的最小曲率半徑，以免產(chǎn)生零件過(guò)切，影響加工精度，如圖3所示。在不影響精度的情況下，刀具半徑盡可能取大一點(diǎn)，以保證刀具有足夠的剛度和較高的加工效率。

圖3

旋鈕圖案對(duì)上表面的粗糙度要求很高，在工件銑平面的時(shí)候留0.2mm，表面有曲面和平面相切，因此，采用圓鼻刀來(lái)兼顧曲面和平面，可以一起加工，保證了加工中的連貫性，避免了更換刀具帶來(lái)的誤差。

4.旋鈕的分析與加工

編程的軟件采用CAXA制造工程師2011版，如圖1所示的零件是我校實(shí)施數(shù)控銑床項(xiàng)目教學(xué)的一個(gè)旋鈕實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，該零件是針對(duì)學(xué)生學(xué)完多面加工后，學(xué)習(xí)薄壁加工的綜合實(shí)例，該旋鈕的加工工藝比較復(fù)雜，同時(shí)也是難點(diǎn)。需要保證表面粗糙度，保證零件的變形不能太大，工件裝夾比較麻煩，尤其是反面加工內(nèi)壁的時(shí)候。

(1)零件構(gòu)圖十分簡(jiǎn)單，通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟(圖4)就可以完成實(shí)體構(gòu)圖。

圖4

(2)剛開(kāi)始加工上表面時(shí)使用直徑16的白鋼刀，粗加工就可以，層高3mm，轉(zhuǎn)速S為3800r/min，進(jìn)給量為1200mm/min，用輪廓線(xiàn)精加工來(lái)編程，而上表面曲面余量則是用等高粗加工來(lái)完成。精加工曲面時(shí)要注意選擇不同的加工方法，加工的曲面會(huì)有不同的粗糙度，為此我們嘗試了等高精加工、參數(shù)線(xiàn)精加工、掃描線(xiàn)精加工、輪廓導(dǎo)動(dòng)精加工等方法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：等高精加工刀路不均勻，加工時(shí)間太長(zhǎng)，出現(xiàn)重復(fù)加工，提刀次數(shù)密集；參數(shù)線(xiàn)精加工計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，中間平面無(wú)法加工；掃描線(xiàn)精加工從電腦顯示的刀路來(lái)看比較好，刀路均勻，沒(méi)有太大問(wèn)題，但加工出來(lái)后工件表面光潔度、粗糙度都不能滿(mǎn)足要求(圖5)；輪廓導(dǎo)動(dòng)精加工刀路均勻，電腦編程計(jì)算速度在之前幾個(gè)精加工中最快，占用的內(nèi)存也最少，因此，傳輸?shù)臅r(shí)間也變短了，加工出來(lái)后表面會(huì)有一條進(jìn)刀痕較為明顯(圖6)，但是觸摸起來(lái)并沒(méi)有什么問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的。

圖5

圖6

內(nèi)壁如何加工決定了殼體的厚度和零件變形的程度。由于毛坯的厚度有20mm，而零件高度是12mm，因此，在上表面加工外形時(shí)，我們特意把深度加工為14mm，反面加工的時(shí)候裝夾好，簡(jiǎn)單地對(duì)XY軸進(jìn)行對(duì)刀，Z軸則要利用平口鉗的平面來(lái)對(duì)刀計(jì)算高度，用銑平面把多余的材料切掉，通過(guò)不斷的Z軸零點(diǎn)的調(diào)整來(lái)保證零件12mm的高度，然后再換上分中棒進(jìn)行精確分中。這里的關(guān)鍵是在Z軸的對(duì)刀上，比如：使用Z軸對(duì)刀儀來(lái)對(duì)刀，對(duì)刀儀放在平口鉗的平面上，對(duì)好以后的高度是50mm，而工件Z軸零點(diǎn)距離平口鉗的平面是5mm，那么刀具最低點(diǎn)離工件零點(diǎn)是50-5=45mm，只要在機(jī)床輸入“Z45.”就完成Z軸對(duì)刀了。之后更換的刀具也是使用同一種方法去對(duì)刀，同樣是輸入“Z45.”，這樣就保證了統(tǒng)一的基準(zhǔn)，縮小了零件厚度的誤差，避免換刀以后對(duì)刀出現(xiàn)大的誤差而導(dǎo)致工件嚴(yán)重報(bào)廢。

圖7

對(duì)刀以后將是對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行加工，切削用量對(duì)切削力的影響是至關(guān)重要的。精加工薄壁零件一般應(yīng)降低和控制切削用量，增加切削次數(shù)，勻速切削，以便減少切削力和切削熱。若切削面積相等，增加走刀量比增加切削深度的切削力小。而切削速度對(duì)切削力的影響是不斷變化的，一般應(yīng)采用較高的切削速度。所以選用合理的切削參數(shù)是傳統(tǒng)加工薄壁零件時(shí)所應(yīng)考慮的重要措施之一。因此，在加工內(nèi)壁時(shí)無(wú)論使用何種刀具切削深度都要較少，機(jī)床的轉(zhuǎn)速只有6000r/min，選擇加工的層高參數(shù)是平時(shí)使用的層高的一半以下，而進(jìn)給量是平時(shí)的一倍以上，加工時(shí)再根據(jù)實(shí)際加工來(lái)調(diào)整進(jìn)給量。加工旋鈕上表面時(shí)，底部留了3mm高，1mm的余量，在反面加工時(shí)采用雙面對(duì)稱(chēng)去除余量方法，即在加工中交錯(cuò)進(jìn)行薄壁兩面的加工(CAXA制造工程師中的等高精加工使用XY優(yōu)先加工方法)，但是，在這之前要先進(jìn)行粗加工，余量留0.5～1mm為好，通過(guò)提高零件薄壁的剛性來(lái)減少零件的變形，最終我們就可以加工出想要的工件了(圖7)。

四、結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了加工薄壁零件在有限的條件和資源下需要注意的一些方法和技巧，但在專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)中確實(shí)有許多的不足之處，筆者也在不斷努力，在教學(xué)工作中盡自己最大的能力，充分利用手頭的資源讓學(xué)生了解基本的加工過(guò)程還是非常有必要的。同時(shí)不得不指出，在實(shí)際數(shù)控加工中，加工的方法是相當(dāng)靈活的?？傊?，只有通過(guò)不斷地探索，勇于嘗試不同的方法，善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的所在，逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，才能有助于提高編程加工效率，提高實(shí)際應(yīng)用水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]深圳華亞機(jī)床有限公司.數(shù)控銑床操作說(shuō)明書(shū)[Z].2011.

[2]清遠(yuǎn)市職業(yè)技術(shù)學(xué)校校本教材.數(shù)控銑項(xiàng)目教學(xué)法教材[M].2008.

責(zé)任編輯陳春陽(yáng)

收稿日期：2016-03-09

作者簡(jiǎn)介：張文勇(1986-)，男，清遠(yuǎn)市職業(yè)技術(shù)學(xué)校教師。研究方向：數(shù)控銑床。(廣東 清遠(yuǎn)/511800)

中圖分類(lèi)號(hào)：G712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-1422(2016)06-0084-03