陳金偉

（航天長征火箭技術(shù)有限公司，北京 100076）

曲面薄壁類銑削工藝研究

陳金偉

（航天長征火箭技術(shù)有限公司，北京 100076）

曲面薄壁類銑削是一種常用的工藝方法，在進(jìn)行加工時(shí)對夾具、機(jī)床等有較高的要求，在加工過程極易發(fā)生刀具切削變形。本文以曲面薄壁銑削加工過程為研究對象，介紹了其數(shù)控加工工藝流程以及銑削變形的補(bǔ)償方法。

曲面薄壁；銑削；工藝

現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域面臨著激烈的國際競爭，需要產(chǎn)品具有較高的性能。薄壁結(jié)構(gòu)零件例如飛機(jī)支架零件質(zhì)量較輕，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，具有較好的性能，由于以上優(yōu)點(diǎn)，薄壁結(jié)構(gòu)零件獲得了廣泛的應(yīng)用，銑削工藝也獲得了提升。

曲面薄壁類銑削多用于制造注塑和壓鑄類結(jié)構(gòu)零件，形成的產(chǎn)品呈現(xiàn)薄片狀，其主要特點(diǎn)是由窄槽和薄片組成，這些薄片以及窄槽本身具有一定的厚度，而且整體的排列比較均勻，并且呈現(xiàn)出曲面的形狀，采用紅銅來進(jìn)行曲面薄壁的加工，從而使其具有相對較高的延展性，如果銑削曲面薄壁的頂端會發(fā)生變形和彎曲，需要精確的控制切削用量，要對加工工藝進(jìn)行嚴(yán)格的掌控，編程參數(shù)的設(shè)置也要非常精確。

許多發(fā)達(dá)制造國家非常重視薄壁件的變形，這些國家利用薄壁件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，利用變形參數(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，這樣保證薄壁件具有較高的加工精度。有的國家為了解決薄壁件的變形問題會采用高速銑削工藝，對于提高加工效率成效比較顯著。曲面薄壁件的銑削工藝是一個(gè)非常復(fù)雜的金屬切削工藝，對于刀具、機(jī)床、工藝方案、切削量等的要求較高，所以必須要進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)以建立一個(gè)銑削模型，用有限元軟件進(jìn)行變形分析并進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高薄壁件的加工精度。

1 曲面薄壁類銑削工藝流程

某模具廠加工了一例曲面薄壁類產(chǎn)品，其形狀描述如下：產(chǎn)品最高點(diǎn)與底座平面的距離為22mm，薄片的厚度為1．5mm，其頂部為曲面形狀，要使用球形刀進(jìn)行精細(xì)化加工，薄片之間的距離為5mm，由于是窄槽，薄片的外形要用直徑較小的刀具來進(jìn)行加工。其銑削工藝流程如下。

1.1 外形加工

該曲面薄壁件要加工正面，先將平口鉗校正好，再夾住毛坯銅料，然后開始分中對刀加工，對刀加工完成后進(jìn)行平面挖槽，將薄片周圍的材料除去。

加工時(shí)使用進(jìn)口超微粒鎢鋼刀，這種刀具的磨損量非常微小，粗加工完成后不用換刀，繼續(xù)采用輪廓加工方法對外形和下部進(jìn)行精加工。

1.2 曲面薄壁的粗銑

用曲面粗加工形式來粗銑削曲面，為了節(jié)省銑削時(shí)間，使用直徑為16mm的銑刀，轉(zhuǎn)速保持在1200r/min，進(jìn)給速度控制在1000mm/min，每層的背吃刀量為0．7mm。

1.3 曲面的精加工

精加工曲面時(shí)，使用直徑為10mm的雙刃球形銑刀，刀具的轉(zhuǎn)速為2300r/min，進(jìn)給速度為1000mm/min，精加工時(shí)的進(jìn)刀角度為315度，曲面要具有較高的精度，這是為了讓曲面具有非常高的精度以及完好的表面質(zhì)地，其值可以設(shè)置為0．005，行與行之間的間距設(shè)為0．15mm。從刀具加工路徑模擬效果圖上可以看出，如果不進(jìn)行曲面粗加工而是直接進(jìn)行精銑削，會造成較大的切削量，并且刀具在銑削時(shí)會產(chǎn)生明顯的振動，表面會由于這些因素變得粗糙，不僅不會達(dá)到快速精銑的目的，甚至也會發(fā)生斷刀。如果進(jìn)刀角度設(shè)置為315度加工時(shí)行間的距離比較均勻，切削液也會產(chǎn)生較好的沖刷效果，工件的表面會產(chǎn)生較好的質(zhì)量。

1.4 曲面薄壁件的外形精加工

對曲面進(jìn)行精加工后，接著對薄壁形狀進(jìn)行精加工，并成形，如果在加工頂部曲面之前先加工外形，會形成較高的薄壁形狀，銅料在刀具的切削作用下會發(fā)生變形和彎曲，從而導(dǎo)致加工失敗，這是曲面薄壁類銑削加工很容易出現(xiàn)的問題。由于薄片之間為窄槽，而且這種窄槽本身比較適合用直徑較小的刀具來進(jìn)行加工，可以使用直徑為4mm的銑刀來進(jìn)行精加工，首先我們可以將轉(zhuǎn)速調(diào)整至2000r/min，并且將進(jìn)給速度調(diào)整為400mm/min，在進(jìn)行實(shí)際的加工過程當(dāng)中刀具的下刀深度要適中，不宜過大。由于刀具的直徑較小，裝夾加工件的長度較長，極易發(fā)生過切現(xiàn)象，所以每層的背吃刀量可以取0．4mm，此時(shí)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度可以適當(dāng)高些，這樣會提高加工效率。設(shè)置路徑參數(shù)時(shí)，外形加工余量取-0．1mm，這是預(yù)留的火花加工距離，加工時(shí)不抬刀，這是因?yàn)檩喞庀碌妒潜容^安全的下刀位置，這樣可以節(jié)約刀具的空運(yùn)行時(shí)間，從而提高效率。

進(jìn)行曲面薄壁類銑削加工藝加工路線要進(jìn)行精密的規(guī)劃，經(jīng)過長期的加工實(shí)踐，比較成熟的工藝方案是粗銑外形和邊框加工、曲面粗加工、曲面精加工、對薄壁外形進(jìn)行精加工。

2 曲面薄壁件加工時(shí)的變形分析

對曲面薄壁件進(jìn)行銑削加工非常復(fù)雜，涉及到機(jī)械加工工藝、材料科學(xué)、塑性力學(xué)等學(xué)科。為了對銑削加工時(shí)的受力變形情況進(jìn)行研究，要進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)，如果獲得龐大的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行試驗(yàn)需要較大的工作量，對曲面薄壁件加工過程中的變形情況進(jìn)行分析時(shí)，可以使用有限元分析軟件。

2.1 力學(xué)描述

在對曲面薄壁件進(jìn)行銑削時(shí)，薄壁件的剛度較小，刀具下刀銑削時(shí)極易發(fā)生變形，使薄壁件的理論切深和實(shí)際切削深度產(chǎn)生差異。如果切削件發(fā)生了變形，實(shí)際精度會與設(shè)計(jì)精度不一致，從而導(dǎo)致銑削件發(fā)生報(bào)廢。對曲面薄壁件進(jìn)行銑削時(shí)，機(jī)床、刀具、夾具等引起剛度的弱化，從而產(chǎn)生讓刀變形，刀具在切削過程中其深度會減少而影響切削力。刀具和工件的變形會產(chǎn)生新的徑向切深，切削區(qū)域的邊界角度會發(fā)生變化，此時(shí)要重新對切削操作進(jìn)行調(diào)整。

2.2 薄壁件加工時(shí)產(chǎn)生變形的分析

通常應(yīng)對銑削過程中的變形問題時(shí)，采取的方法是完成精加工以后，如果此時(shí)沒有進(jìn)給量要增加切削數(shù)量，采用這種方法可以將殘余的材料除掉，但是對于部件的加工效率會產(chǎn)生一定的影響。本文采用的補(bǔ)償銑削變形方法是用有限元模型來計(jì)算變形量，用CAM軟件來分析變形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加工程序具有了一定的補(bǔ)償功能。

進(jìn)行刀具路徑補(bǔ)償操作時(shí)進(jìn)行有限元分析，刀具在走刀時(shí)其走刀路徑根據(jù)變形量的大小進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)償因?yàn)檫M(jìn)刀時(shí)變形產(chǎn)生的讓刀量。這樣操作后一次走刀就可以除掉殘余的材料，薄壁件的壁厚參數(shù)也可以得到保證。

進(jìn)行曲面薄壁件的補(bǔ)償變形加工時(shí)，刀具走刀時(shí)要按照預(yù)設(shè)的刀具軌跡來進(jìn)行，薄壁件的剛度很小所以加工時(shí)極易發(fā)生變形，使切削位置和設(shè)計(jì)位置發(fā)生偏移，要對加工時(shí)某點(diǎn)的變形量進(jìn)行修正來保證實(shí)際切削位置和設(shè)計(jì)點(diǎn)位置的重合。用有限元分析模型可以獲得變形結(jié)果，從而可以掌握薄壁件銑削時(shí)的變形規(guī)律，以此來獲得優(yōu)化的刀具路線軌跡。

2.3 曲面薄壁件加工變形時(shí)產(chǎn)生的誤差補(bǔ)償

刀具在進(jìn)給時(shí)以及沿軸線方向會產(chǎn)生變形，所以進(jìn)行刀具軌跡補(bǔ)償時(shí)要以進(jìn)給刀和軸線位置進(jìn)行。針對進(jìn)給變形，可以修正刀位點(diǎn)的軌跡，軸線方向如果發(fā)生變形，可以偏擺刀具的角度來實(shí)現(xiàn)變形補(bǔ)償。工件在加工過程中發(fā)生變形，如果發(fā)生于刀具的軸線方向不一定是一條直線，此時(shí)可以將軸線切深進(jìn)行分割，實(shí)行多次走刀，這種方法會影響加工效率，以后的走刀路徑也會對已加工表面產(chǎn)生影響。對軸線方向的變形曲線進(jìn)行線性擬合后，可以獲得一個(gè)直線斜率，這個(gè)斜率可以做為刀具的偏擺角度，對刀位點(diǎn)的位置進(jìn)行修正以及對刀具角度進(jìn)行偏擺調(diào)整后，就獲得了修正的刀具軌跡。

3 走刀路線的確定

在對薄壁件進(jìn)行數(shù)控加工控制前，要建立一個(gè)制造模型，然后建立一個(gè)制造數(shù)據(jù)庫，這個(gè)數(shù)據(jù)包括機(jī)床、夾具、刀具等的參數(shù)設(shè)置，最后要對加工方法進(jìn)行設(shè)置，對刀具軌跡進(jìn)行演示并生成加工數(shù)據(jù)，從而獲得最為合理的刀具路徑來生成數(shù)控加工代碼。

4 結(jié)語

曲面薄壁類銑削工藝在模具加工應(yīng)用比較廣泛，加工起來難度較大，機(jī)床和刀具的類型和性能不同，采取的加工方法也不盡相同。

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