馬 郡

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

在零件機(jī)械加工過程中，薄壁、薄板類的零件加工常常會由于內(nèi)應(yīng)力而引起翹曲、側(cè)彎和扭曲等形式的變形，嚴(yán)重影響了零件的加工質(zhì)量及加工效率，在實(shí)際加工中難以達(dá)到設(shè)計(jì)的形位公差要求和加工精度，加工工藝較為繁復(fù)，需要注意的細(xì)節(jié)較多，實(shí)際操作也較為復(fù)雜，是銑削加工中比較棘手的問題[1]。

1 薄壁零件加工變形原因及解決途徑

1.1 變形原因

1）裝夾變形。工件裝夾時在橫向或徑向夾緊力的作用下會產(chǎn)生變形，影響其加工精度。

2）切削力。切削運(yùn)動使材料的晶體顆粒間產(chǎn)生擠壓、拉伸、拉斷等現(xiàn)象，使晶體的原子間產(chǎn)生位移，形成不可恢復(fù)的塑性變形。

3）切削熱。切削過程產(chǎn)生的切削熱會引起工件的熱變形，使其形位誤差增大。

4）殘余應(yīng)力。切削力和切削熱會使零件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，薄壁零件加工時材料去除量大，剩余部位剛度也不盡相同，殘余應(yīng)力隨著時間緩慢釋放，就會產(chǎn)生一定的形變。

5）振動變形。切削過程中的振動也會引起變形，造成工件的加工誤差[2]。

1.2 解決途徑

隨著我國先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，采用CNC 數(shù)控加工的薄壁零件越來越普遍。為減少加工變形，提高加工精度，加工時要注意以下方面。

1）改進(jìn)裝夾方式。利用專用夾具，合理選擇定位基準(zhǔn)、裝夾位置及夾緊力，以避免變形的發(fā)生。

2）合理選用刀具。要求刀具精度高、強(qiáng)度大、剛度好、耐用度高，且尺寸穩(wěn)定、安裝調(diào)整方便。

3）合理確定切削參數(shù)。減小切削力和切削熱引起的變形。

4）合理安排走刀路線和工序。分幾次走刀加工直到最后尺寸的路線，使工件加工后變形小。

2 薄片銅電極加工實(shí)例

薄片銅電極被廣泛用于制造注塑、壓鑄模具時產(chǎn)品的薄片，如發(fā)動機(jī)散熱片、電腦機(jī)箱散熱片及某些產(chǎn)品的電源散熱窗口等。其具體特點(diǎn)如下：結(jié)構(gòu)簡單，頂部一般呈曲面形狀，壁高而薄，加工余量較大；材質(zhì)為延展性強(qiáng)的銅和銅合金，但加工工藝性差，薄片易產(chǎn)生彎曲變形，對工藝方案、切削參數(shù)的設(shè)置等要求較高[3]。

以下以實(shí)際生產(chǎn)中常用的普通數(shù)控機(jī)床及CAXA 制造工程師軟件為例，說明其編程加工過程和方法。

2.1 零件圖樣

薄片銅電極外形如圖1 所示，薄片銅電極的外形尺寸為75mm×75mm×40mm，其中底部基準(zhǔn)方臺部分高20mm，是校正和裝夾部分；方臺上排列4 個薄片電極，是直接加工部分；電極薄片的高度較大，最高點(diǎn)距方臺平面高度為20mm；薄片厚度較小為2mm，放電腐蝕加工出模具型腔中對應(yīng)的深窄槽；薄片頂部的完全倒圓角曲面應(yīng)采用球形刀精加工，精度公差為±0.025mm。

圖1 薄片銅電極外形（單位：mm）

2.2 裝夾與對刀

先校正機(jī)用平口鉗，將方形毛坯直接裝夾其上，夾持量為5mm 左右，然后進(jìn)行四面分中、對刀，并設(shè)置工件坐標(biāo)系等參數(shù)，做好加工準(zhǔn)備。

2.3 刀具的選用

刀具直徑越大，加工時所產(chǎn)生的徑向切削力也大，在其他條件都滿足時，考慮到薄片易受力變形，宜選用直徑較小的刀具[4-5]；加工電極深度時要考慮刀具的材料和長度，以保證其具有足夠的強(qiáng)度，防止加工時引起刀具的徑向跳動，如進(jìn)口鎢鋼刀，其抗彎剛度和韌性較好[5]。另外，刀具的刀刃要鋒利，以減小切削力。綜上考慮，該例選用φ10 平底端銑刀進(jìn)行粗加工，選用φ4 銑刀進(jìn)行薄片側(cè)面精加工。

2.4 切削用量的選用

CNC 加工中切削用量的合理選用意義重大。開粗時，首先，應(yīng)選擇盡可能大的背吃刀量，以減少走刀次數(shù)；其次，選擇相對較大的進(jìn)給量，有利于斷屑，減少刀具消耗，降低成本；最后，結(jié)合刀具耐用度確定合理的切削速度[6]。光刀時，要保證加工的質(zhì)量，在此前提下提高效率，因此優(yōu)先選取較小的背吃刀量和進(jìn)給量，而切削速度要盡可能高，這是實(shí)現(xiàn)減小加工變形、提高加工質(zhì)量和效率的基本前提。

2.5 編程加工方案

薄片電極的加工工藝、加工參數(shù)及加工順序直接影響加工效果。該例中加工工藝方案的整體思路如下：先粗加工基本外形，再精加工底部方臺側(cè)面和上表面，然后精加工薄片頂曲面，最后半精加工、精加工薄片側(cè)面。

1）薄片區(qū)域粗加工。開粗時要快速去除大部分余量，切削力較大，應(yīng)留有足夠的加工余量，一般為1mm[5]。選用φ10 平底刀開粗，側(cè)邊留余量為1mm，底面留余量為0.2mm，主軸轉(zhuǎn)速為2 500r/min，進(jìn)給速度為1 000mm/min，薄片背吃刀量為0.6mm。走刀方式采用環(huán)切加工，使薄片受力平衡，能有效減少變形。下刀方式選擇螺旋切入，如圖2所示。

圖2 薄片區(qū)域粗加工

2）基準(zhǔn)方臺側(cè)面粗加工。上一步環(huán)切加工時，基準(zhǔn)方臺上方的側(cè)面輪廓已被切削去除，這一步只需對基準(zhǔn)方臺側(cè)面進(jìn)行銑削加工[6]。選用φ10 平底刀進(jìn)行輪廓加工，主軸轉(zhuǎn)速為2 500r/min，進(jìn)給速度為1 000mm/min，側(cè)面余量為0.3mm，背吃刀量為1mm。

3）基準(zhǔn)方臺側(cè)面精加工。基準(zhǔn)方臺側(cè)面要為電極校正用，需要進(jìn)行精加工[7]。選用φ10 平底刀進(jìn)行輪廓加工，主軸轉(zhuǎn)速為2 500r/min，進(jìn)給速度為800mm/min，側(cè)面余量為0。

4）基準(zhǔn)方臺上表面精加工。選用φ10 平底刀，主軸轉(zhuǎn)速為2 500r/min，走刀速度為800mm/min。為防止刀具碰切到薄片側(cè)面，側(cè)面加工余量設(shè)為1mm，頂面余量為0。進(jìn)刀點(diǎn)設(shè)為從工件外進(jìn)刀。

5）薄片頂部圓角曲面精加工。因電極薄片較高，先加工薄片側(cè)面后加工頂曲面時會對電極產(chǎn)生沖擊荷載，易發(fā)生邊角脆性崩碎，故應(yīng)先加工薄片頂部再加工側(cè)面[8]。

選用φ4R1.5 球頭刀，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為4 000r/min，進(jìn)給速度為800mm/min。采用CAXA CAM 的參數(shù)線精加工的方式走刀，如圖3 所示，設(shè)定進(jìn)刀點(diǎn)位于圓角曲面的角點(diǎn)，行距定義為殘余高度0.000 5mm，進(jìn)行往復(fù)加工。由于銅電極被用于電火花機(jī)放電，需要留出放電時的火花加工間隙，加工余量應(yīng)設(shè)為-0.1mm。

圖3 薄片頂部曲面精加工刀軌

6）薄片側(cè)面半精加工。選用鋒利的φ4 的平底端銑刀進(jìn)行輪廓精加工，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為4 000r/min，走刀速度為800mm/min，加工余量為0.5mm。為了避免產(chǎn)生搶刀過切現(xiàn)象，每次下刀深度不能太大，每層切深僅取0.4mm，為了提高一定的效率，這時的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度則取高一些。抬刀選為否，因?yàn)樵谳喞庀碌叮汛_定是在安全的空位下刀，所以不需要設(shè)定抬刀，以節(jié)約刀具空運(yùn)行時間，提高效率[9]。

7）薄片側(cè)面精加工。同樣，考慮到電火花放電加工間隙，薄片的加工余量設(shè)為-0.1mm；每層加工深度取0.2mm，其余參數(shù)同2）、5）、6）。

3 結(jié)論

薄壁零件銑削加工工藝分析、加工順序和切削參數(shù)是保證加工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。為了控制和減小薄壁零件的切削變形，可優(yōu)先選用轉(zhuǎn)速高、背吃刀量小、適中進(jìn)給、環(huán)切走刀的加工方式。薄片電極作為典型的薄壁零件，采用上述方式加工可以保證尺寸精度，提高加工效率，也可為同類零件的加工提供參考。