蔡 君

（上海杰興汽車(chē)配件制造有限公司，上海 201706）

0 引言

薄壁零件具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但存在使用強(qiáng)度不足、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題[1]。由于現(xiàn)代新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)對(duì)零件的精度要求非常高，在薄壁零件加工時(shí)，需要考慮精度和強(qiáng)度對(duì)零件的影響[2]。為了提高薄壁零件加工的精度，需要全面細(xì)致地分析影響加工精度的因素，并進(jìn)行改進(jìn)[3]?，F(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)，使其逐漸高效化、精密化，逐步發(fā)展為現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的根基，成為制造技術(shù)的重要組成部分。因此，以下研究薄壁零件數(shù)控加工的優(yōu)化工藝。

1 影響薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量的因素

影響薄壁零件數(shù)控加工的因素有很多，目前高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)追求的工藝標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前的精密制造行業(yè)面臨的重要問(wèn)題。薄壁零件具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有強(qiáng)度較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易損壞或變形的缺點(diǎn)。在數(shù)控加工過(guò)程中，為了提高薄壁零件的數(shù)控加工精度，應(yīng)對(duì)所有影響因素進(jìn)行深入分析[4]。

一般情況下，機(jī)床強(qiáng)度影響著機(jī)床的工藝路線(xiàn)，影響著加工工件的加工精度。在工件切削中，切削速度、切削深度都會(huì)導(dǎo)致工件變形，零件變形是影響加工精度的最重要因素[5]。為了改善這種情況，預(yù)先設(shè)計(jì)合理的夾緊方法，及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，提高數(shù)控加工工藝的精度。

在研究零件的夾緊狀態(tài)時(shí)，需要先研究與定位、自由度有關(guān)的夾緊裝置，記錄夾緊后零件的數(shù)據(jù)變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷導(dǎo)致夾緊變形的力的位置。大多數(shù)夾緊裝置需要借助特殊夾具進(jìn)行加工，如輔助軸承、導(dǎo)環(huán)、膨脹套筒等[6]。

多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，切削力由切削速度決定，速度根據(jù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，因此需要根據(jù)加工參數(shù)確定切削速度。對(duì)處理的精度影響較大的因素除速度外，還包括主偏轉(zhuǎn)角、輔助偏轉(zhuǎn)角和路徑規(guī)劃等。在加工過(guò)程中，軸向和徑向切割力的分布要根據(jù)切割角度來(lái)確定[7]。刀具的路徑規(guī)劃是影響加工精度的重要因素，需要在切削中選擇最優(yōu)的路徑，保證加工精度。最優(yōu)刀具路徑可超出傳統(tǒng)刀具路徑的限制，提升加工效率。

為了進(jìn)一步提高薄壁零件加工工藝的質(zhì)量，要了解引起加工零件變形的因素，找出變形的具體規(guī)律，進(jìn)行深入探索和分析，建立科學(xué)合理的工藝生產(chǎn)線(xiàn)，處理工藝生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的變形問(wèn)題，提供合適的解決方案。

根據(jù)加工實(shí)踐，得出影響薄壁零件加工工藝的主要因素有以下6 個(gè)：①機(jī)床的加工精度，特別是重復(fù)定位精度；②加工原材料的晶相結(jié)構(gòu)、硬度和塑性變形的屈服強(qiáng)度；③刀具的刃口和刀體的材料；④零件夾緊方式、夾緊力和科學(xué)的定位方式；⑤走刀控制，包括切削線(xiàn)速度、切削方向、切削進(jìn)刀速度和切削深度；⑥切削液微觀層面的熱交換。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)控加工薄壁零件方法分析

2.1 工藝設(shè)計(jì)

在實(shí)際薄壁零件的數(shù)控加工中，必須完成數(shù)控仿真分析，確定零件在加工過(guò)程中所受的載荷布置和應(yīng)變關(guān)系，為設(shè)計(jì)工藝方法提供指導(dǎo)。該過(guò)程可以根據(jù)公式F=KU 進(jìn)行。其中F 是薄壁零件的承載陣列，K 和U 分別代表基體的加工應(yīng)變。降低F 值和提高K 值可以提升零件的質(zhì)量。在材料選擇時(shí)可以通過(guò)調(diào)整K、F 值來(lái)提高零件的強(qiáng)度，達(dá)到加工工藝需求。通過(guò)仿真分析，可以找出零件變形的原因，并根據(jù)受力情況提出改進(jìn)的加工方案，保證零件質(zhì)量。結(jié)合數(shù)控加工實(shí)踐可以看出，零件的變形和表面加工的精度主要受切削力的影響。

采用科學(xué)的加工方法，在切割多余材料的同時(shí)，有效控制加工質(zhì)量，可以使用有限元模型加載銑削力，設(shè)置刀具參數(shù)、切削量等工藝條件，觀察不同參數(shù)條件下零件的變形狀態(tài)，準(zhǔn)確確定切削力；從控制零件變形程度的角度調(diào)整工藝參數(shù)，可以保證零件加工質(zhì)量。

2.2 零件裝夾

在零件裝夾時(shí)，加工零件的工具需要具有較短的懸伸長(zhǎng)度，有效控制慣性力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。在零件加工時(shí)，加工工具隨著主軸旋轉(zhuǎn)，加強(qiáng)了重心控制，使零件更靠近主軸頂部，能有效控制慣性力，避免過(guò)大的旋轉(zhuǎn)扭矩，提高加工精度。懸伸長(zhǎng)度也必須符合加工要求，避免零件裝夾時(shí)出現(xiàn)脫模、夾具損壞等問(wèn)題，使夾具更耐用。在裝夾時(shí)還需確保零件與機(jī)床良好配合，避免旋轉(zhuǎn)時(shí)離心作用過(guò)大產(chǎn)生加工誤差。

2.3 走刀控制

在薄壁零件切削時(shí)，需要合理選擇切削角度，進(jìn)而使用較小的力就能達(dá)到加工要求，因此必須進(jìn)行走刀控制。由于薄壁的強(qiáng)度低，切削時(shí)盡量選擇90°主偏角，減小徑向力和切削誤差。以45#鋼切削為例，切削參數(shù)見(jiàn)表1。刀具切削路徑和切削速率在控制、分析時(shí)，需與表面粗糙度和主軸速度相結(jié)合。在零件表面加工外圓時(shí)，按粗加工、半精加工、精加工合理確定切削量和規(guī)劃路徑。粗加工采用級(jí)聯(lián)方式，為有效控制摩擦，通過(guò)適當(dāng)增加刀具的前后角來(lái)減小零件上的應(yīng)變。

表1 切削參數(shù)選擇

3 數(shù)控加工薄壁零件加工工藝優(yōu)化改進(jìn)策略

3.1 工藝問(wèn)題分析

分析某零件加工時(shí)的工藝問(wèn)題，得出優(yōu)化策略（圖1）。零件為帶通孔的鋁合金圓管，長(zhǎng)度為150 mm。在零件加工時(shí)，首先應(yīng)完成中間60 mm 的外圓加工，然后再進(jìn)行圓柱度為0.03 mm的內(nèi)圓加工，表面粗糙度為Ra 0.8 μm。在鋁合金零件加工時(shí)，受到材料性能、零件結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，容易產(chǎn)生變形，不能滿(mǎn)足零件的圓柱度、粗糙度等要求。材料的低熱導(dǎo)率很容易在零件加工時(shí)引起高溫問(wèn)題，切割過(guò)程容易消耗過(guò)多能量，產(chǎn)生更高的溫度。由于材料的低可焊性和硬化傾向，在加工時(shí)還容易形成積屑瘤和硬化層，導(dǎo)致加工堵塞，影響表面粗糙度。

圖1 某零件

該零件的CNC 加工結(jié)果表明，在進(jìn)行加工工藝優(yōu)化時(shí)，應(yīng)注意粗、精加工的加工順序，端面加工完成后才可以加工內(nèi)孔，完成內(nèi)孔精加工后再進(jìn)行表面處理。在加工效果上，內(nèi)孔圓柱度可達(dá)0.1～0.12 mm，表面粗糙度在Ra 0.8～1.6 μm，才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。零件必須去除毛坯80%的材料，加工余量較大，容易產(chǎn)生較大的切削應(yīng)力；在毛坯鍛造階段，零件經(jīng)過(guò)熱處理后也容易變形，影響加工精度。

3.2 工藝方案改進(jìn)

考慮到對(duì)零件加工精度要求，必須在數(shù)控銑床上完成外表面加工和鉆孔操作。根據(jù)原理改進(jìn)方案，端面必須首先需要進(jìn)行粗加工，采用退火熱處理工藝消除應(yīng)力后，才可進(jìn)行精銑。在加工初期，殘余應(yīng)力經(jīng)放置時(shí)效消除，避免新的加工應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)多的零件形變。在粗加工和精加工階段如果需要銑削，必須重復(fù)消除應(yīng)力2～3 d，以使應(yīng)力完全釋放，再消除刀具參數(shù)、載荷布置等因素對(duì)零件處理的影響。在加工時(shí)需要先完成外圓的粗銑，然后再進(jìn)行鉆孔。為了有效控制孔的粗糙度，粗加工保持高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的加工狀態(tài)；在精加工過(guò)程中，盡量選擇較小的切削深度，保證切削效果，避免切削誤差。

3.3 加工方法改進(jìn)

為了保證零件加工質(zhì)量穩(wěn)定，需要保證用于加工的毛坯符合加工要求，使用的刀具需要?jiǎng)傂院蛷?qiáng)度都符合標(biāo)準(zhǔn)，在加工和切削時(shí)選擇專(zhuān)業(yè)的工裝夾緊工件。工具保持器需要配備有阻尼吸收模塊的工具架，防止加工中出現(xiàn)工具架彎曲變形甚至振動(dòng)的問(wèn)題，保持零件穩(wěn)定加工?？紤]到零件的長(zhǎng)度和零件加工的框體，該刀架主軸精度必須控制在0.005 mm 之內(nèi)。在設(shè)置傾斜導(dǎo)向床時(shí)，必須保證導(dǎo)向床的位置滿(mǎn)足加工需求，誤差不能超過(guò)0.01 mm。工藝夾頭處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，為了滿(mǎn)足夾緊要求，需要保證裝夾變形量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如采用三點(diǎn)式柔性卡爪改善夾緊結(jié)構(gòu)，避免因裝夾變形造成內(nèi)孔超差。

根據(jù)毛坯料確定切削參數(shù)，根據(jù)銑床的回轉(zhuǎn)直徑和機(jī)床穩(wěn)定性選擇加工刀具。提升刀具進(jìn)給速度和加工深度，切削力也會(huì)增加，可能導(dǎo)致刀具或加工件變形。為了降低切削力，必須減少加工深度，增加切削線(xiàn)速度。粗加工時(shí)為了去除較多的加工余量，可增加進(jìn)給速度，降低表面粗糙度，調(diào)整變形部分的內(nèi)應(yīng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

在工藝改進(jìn)效果方面，采用改進(jìn)的方法加工薄壁零件，避免產(chǎn)生振紋、變形等問(wèn)題，提升加工精度，滿(mǎn)足高精密制造需求。結(jié)合分析結(jié)果可以看出，一般在數(shù)控加工薄壁零件時(shí)會(huì)降低零件的加工精度，且可能造成零件變形和損壞，影響加工質(zhì)量和加工效率，面對(duì)這種情況可強(qiáng)化CNC 加工，通過(guò)分析預(yù)測(cè)法實(shí)現(xiàn)工藝改進(jìn)，更好地進(jìn)行零件裝夾和切削控制，通過(guò)工藝優(yōu)化達(dá)到理想的加工效果。