謝蓓

摘 要：航空零部件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、精度要求高和制造工藝性差等特點，在切削力作用下極易產(chǎn)生變形而引起表面誤差，嚴(yán)重影響加工精度，是近年來航空制造技術(shù)中比較突出的問題之一。該文通過理論研究總結(jié)并對現(xiàn)場典型薄壁零件加工效果分析論證，對工件裝夾、定位方法、工藝加工方法、刀具路徑優(yōu)化進行探討，尋找薄壁類零件高效銑削加工方式。

關(guān)鍵詞：薄壁件；刀具路徑；高效銑削

中圖分類號：TG506 文獻標(biāo)志碼：A

1 變形原因分析

薄壁類零件加工變形產(chǎn)生的原因很多，與毛坯內(nèi)應(yīng)力、毛坯形狀、刀具材料、刀具幾何角度、刀具剛度和磨損、夾緊力、定位精度、夾緊位置、機床精度、機床剛性、切削參數(shù)（包括切削深度、切削速度、進給量）、零件材料和結(jié)構(gòu)、刀具路徑、加工順序、冷卻液、環(huán)境等因素都有關(guān)系。這些因素中起主導(dǎo)作用的也有所不同，產(chǎn)生的加工變形形式與變形程度也會有些交互影響，其中以切削力、切削熱、切削振顫的影響最為嚴(yán)重，是造成大部分零件加工變形，尺寸超差，裝配失效的主要因素。

2 解決零件加工變形的有力措施

2.1 刀具路徑優(yōu)化

通過實驗論證可以發(fā)現(xiàn)，零件壁厚與零件整體剛性成正比，即隨著零件壁厚降低零件剛性也降低。而在機械加工中均會隨著不同程度得到切削振動，當(dāng)零件剛性不足時，會加速和加重這種切削振顫，極大地影響零件的加工精度和加工質(zhì)量。

為了使切削過程具備穩(wěn)定性和可靠性的特點，保證加工質(zhì)量，一般普遍采用而且最為有效的方法就是從刀具路徑優(yōu)化著手。主要方法有：第一，合理安排切削加工順序，配合粗、半精、精加工方式合理選擇各個加工平面順序，選擇相對盡可能少的走刀路徑、換刀次數(shù)、裝夾次數(shù)；第二，銑削復(fù)雜型腔或鏤空面積較大的零件時，可以先將零件未銑削部分做為正在銑削部分的支撐面，這種分步銑削的方式可以有效提升復(fù)雜型面的加工剛性；第三，在切削參數(shù)方面，采用大徑向切深、小軸向切深的分層銑削方式，特別是在一些深腔底面和側(cè)面加工中，采用高轉(zhuǎn)速、小進給、小切削深度參數(shù)設(shè)定的方式，可以有效提升切削加工穩(wěn)定性，使刀具、工件、機床三者達到一個相對較優(yōu)的平衡，提高切削過程的剛性和穩(wěn)定性。

2.2 采用高速銑削方式

高速切削加工工藝和傳統(tǒng)切削加工工藝主要的區(qū)別體現(xiàn)在一些切削參數(shù)差異。傳統(tǒng)切削一般采用低轉(zhuǎn)速、大切深、小進給、往復(fù)加工的方式，而高速切削則一般采用高轉(zhuǎn)速、中切深、大進給的銑削方式。由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術(shù)同時還具有如切削力小、材料切除率高、熱變形小、加工精度高和加工效率高5個優(yōu)勢。

2.2.1 切削力小

由于采用小切削量、高切削速度參數(shù)，使切削力相對減少了30%以上，同時零件徑向切削力的減幅會尤其明顯，可以有效減少日常的刀具磨損，提高刀具使用壽命。

2.2.2 材料切除率高

切削速度和進給速度都大幅度提高，相應(yīng)的材料切除率也幅提升。

2.2.3 工件熱變形小

高速切削可以通過切屑高速流出的方式帶走一部分來不及傳給零件的切削熱，所以零件本身不會由于溫度過高而導(dǎo)致熱變形，同樣可以得到較高的表面精度。

2.2.4 加工精度高

高速切削的小進給量和小切削力可以有效降低加工振動，使加工系統(tǒng)更為平穩(wěn)，從而獲得較高的尺寸精度和較好的表面粗糙度。

2.2.5 加工效率高

高速切削可以縮短整體加工時間，提升能源和設(shè)備的利用率。

2.3 工藝方法優(yōu)化

以結(jié)構(gòu)形式可以將零件分為2大類，分別是側(cè)面帶有輔助支撐和側(cè)面無輔助支撐薄壁零件，其工藝優(yōu)化主要方法也有所區(qū)別。

2.3.1 側(cè)面帶有輔助支撐薄壁零件

為了解決裝夾力和切削力引起的此類零件加工變形問題，可以銑削貼合零件內(nèi)腔型面的簡易工具作為內(nèi)部支撐；也可以利用材料熔點低于待加工薄板的材料或者石膏澆注入薄壁結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)，填補待加工零件的型腔，同時輔助常規(guī)的通用工具進行裝夾，有效防止零件內(nèi)縮變形、應(yīng)力釋放不均導(dǎo)致的切削變形。

2.3.2 側(cè)面無輔助支撐薄壁零件

對于側(cè)面無輔助支撐或在內(nèi)腔區(qū)域不能添加輔助支撐的薄壁零件，可以利用零件未加工部分作為支撐的優(yōu)化方案，合理地調(diào)整工藝路線，將側(cè)面鏤空區(qū)域或者需要去除的部分安排在粗加工和半精加工后、安排在重要表面或者內(nèi)腔加工完畢之后再進行大面積支撐材料去除加工，這樣可以保證銑削內(nèi)腔或者零件重要表面時，零件處于剛性可靠和切削平衡狀態(tài)。在銑削路徑上，要避免重復(fù)性的刀具軌跡，采用粗加工分層銑削，讓應(yīng)力均勻釋放；進刀路徑采用斜下刀方式也可以減少垂直分力對進刀區(qū)域的壓力，避免加工變形。

3 典型薄壁零件銑削加工分析

3.1 零件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某薄壁板類零件，外形尺寸239.4 mm×147.5 mm

×22 mm，四周側(cè)面和內(nèi)腔都存在凸臺和型孔，側(cè)面和底面壁薄最薄處僅為1 mm，零件在上下2個側(cè)面和左右側(cè)面上都有較重要的M3、M2.5螺紋安裝孔。推測零件在銑削內(nèi)腔時，可能會由于內(nèi)腔銑削余量較大且側(cè)面有一處鏤空而極易產(chǎn)生張力和殘余應(yīng)力，極易加工變形，出現(xiàn)中間鏤空部分會鼓出與四周壁薄不均勻的問題。

3.2 工藝路線、刀具路徑分析

針對該零件結(jié)構(gòu)情況，采用工藝路線如下：

①下料→②去應(yīng)力→③銑外形→④銑一側(cè)面凹槽，鉆螺紋孔底孔→⑤銑另一側(cè)面凹槽，鉆螺紋孔底孔→⑥銑反面臺階面，鉆孔→⑦粗銑正面，底面、側(cè)面均各留2mm余量→⑧去應(yīng)力→⑨精銑外形及內(nèi)腔，銑側(cè)面開口槽，鉆孔→⑩去毛刺，擴孔，攻螺紋，校平。

3.3 總結(jié)工件加工效果

由于在加工之前對零件的性能、結(jié)構(gòu)和可能發(fā)生變形的區(qū)域做了預(yù)測分析，所以在工藝路線設(shè)計時采用了粗、精分層加工，充分考慮了殘余應(yīng)力對零件變形的影響，先后進行2次去應(yīng)力熱處理，可以有效地去除加工應(yīng)力。而對于工件壁薄只有1mm，局部區(qū)域會出現(xiàn)壁薄不均勻的問題，設(shè)計采用了先粗、后精銑工件內(nèi)腔，最后再精銑工件兩側(cè)開口槽的方式，主要就是利用工件未加工部分作為支撐側(cè)面零件能有一定的支撐力，防止先期切削變形。通過以上工藝方法進行試驗加工，工件尺寸能夠有效保證在公差內(nèi)，有效改善加工變形，提高了整體加工質(zhì)量，為此類薄壁零件高效銑削方式的進一步探索提供了可靠依據(jù)。

參考文獻

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