数铣加工薄壁零件的工艺设计

刘伟峰､刘强､韩玉洁､任军杰､田德

石家庄海山实业发展总公司  河北石家庄  050000

摘要:该文通过分析薄壁零件加工的工艺特点及难点,制定出数控铣床在加工薄壁零件时的工艺设计,通过正确的选择刀具路径,达到提高产品质量和生产效率的要求｡

关键词:数铣;薄壁零件;刀具路径

我国数控技术正随着经济的发展逐渐进步,因此数控机床也逐渐得到了广泛关注｡而数控机床的发展也成为当前机械制造业得以持续进步和创新的必经之路,所以需要对其技术进行不断革新,为实现数控的自动化发展奠定良好的技术基础｡薄壁零件是一种精密零件,在我国各行各业中都有所发展｡因此,需要加强对薄壁零件的研究｡

1研究背景

薄壁零件具有结构紧凑､重量轻､节省原材料等特点,但由于其特殊的构造也给加工过程带来了一系列的问题,(1)薄壁零件由于壁薄(有的小于5mm)造成零件刚性差,但在铣削过程中又需要夹具夹紧,所以容易造成零件受力变形,导致零件形状和尺寸受到影响不能达到要求;(2)切削过程会产生大量的热,由于壁薄热量全部集中在薄壁上,导致零件受热变形;(3)薄壁零件的稳固性差,在切削力的作用下,容易产生振动,导致零件变形,影响尺寸以及零件表面粗糙度｡因此想要加工出高品质的薄壁零件就要解决加工过程中的变形问题,其次要选择合适的刀具和走到路径保证零件表面的粗糙程度｡在以上问题解决的基础上再考虑如何提高生产效率｡

2薄壁零件加工变形的影响分析

薄壁零件本身构造较为复杂,而薄壁零件的质量也相对较小｡在具体的生产过程中,很容易使其受到切削力以及振动切削的影响而发生一定形变,最终影响加工薄壁材料的加工精度及加工品质问题｡当前,在进行航空薄壁零件加工生产过程中,采用的是较为传统的零件编程方法｡这种方法需要依据零件的表面几何形状以及其相应的技术要求｡在具体的加工过程中,它将受到不断变化的铣削作用力的影响,使得零件发生一定的形变,进而导致零件和所要达到的预期效果存在一定的误差｡因此,使用CAM软件编程的方法输出加工要求,不能在实际生产过程中得到较为理想的应用｡实际的铣削过程中,往往需要采用较为保守的参数进行铣削,同时对零件进行重复性加工,才能切实保障零件的加工精度｡同时,需利用所得到的修正结果,消除加工变形带来的影响｡这样既消耗大量的人力､物力,还使得加工效率达不到标准,不能实现零部件的大规模生产｡

实际生产过程中,主要需要技术人员解决的问题是零件的控制和变形,同时提高零件的加工精度｡而在加工过程中,对零件有较大影响的是机床的刚性､加工零件的刀具振动以及磨损等｡大量的生产实践证明,薄壁零件壁的厚度越小,零件的变形程度将越大,加工则将导致零件的变形,最终对零件的品质带来一定干扰｡所以,需要根据零件的刚性特点,选取较为优化的零件刚性方案｡在进行加工的过程中,保持零件在加工过程中的刚性处于较好状态,最终减少零件加工的误差｡进行零件的侧壁加工时,若加工条件允许,则需要尽量采取分层加工的办法,在保障零件刚性达到标准的前提下,避免加工的刀具对零件产生影响｡加工过程中,使用转速较高的主轴可以减少颤振发生,调节不同的刀具可以延伸刀具长度,避开切削的振动频率,最终提高零部件表面加工的品质｡

3铣削变形的控制措施

第一,根据加工材料的结构特点,对工艺路线进行改善｡实际加工过程中,需要使用刀具对零件的外形进行变形控制｡切削过程中,不单会使加工材料受到形变,进而被切除,还会使工件产生回弹而出现让刀现象,最终影响工件的加工精度｡在薄壁零件加工过程中,为了使加工的形变受到一定控制,必须有效降低切削力及装夹变形,最终保障加工在不同切削力下的稳定性,而装夹力也需要按照最大的切削量进行｡所以,若想满足零件的精度要求,则需要使用粗加工和精加工相互结合的方式进行零件的加工和制作｡

第二,优化加工的走刀策略及加工顺序,进而降低切削中的热力耦合作用｡在进行材料的刀具切割过程中,材料将产生一定的弹性和塑性变形而消耗功率｡同时,在工件及后刀面的表面将产生剧烈的摩擦,导致切削过程中产生大量的热,最终使各个加工部件受到不均匀的力量产生变形,影响加工零件的品质｡而薄壁零件的加工效率以及变形受走刀策略的影响较大,若加工的走刀路径不同,工件内部残余应力的释放顺序也不相同｡此外,在加工中切削热和切削力的相互促进下将产生新的应力,这个新的应力与原工件中的残余应力的耦合作用不同,最终导致工件出现不同程度的变形｡加工路径在选择过程中需要保障加工的材料被对称切除,而腹板加工中需要采用环切走刀的形式,使加工的应力变得均匀化｡同时,刀具的加工路径要尽量保持平滑,这样才能最大限度地减少急转急停的现象｡加工顺序的科学合理,将减少加工零件的变形概率｡

第三,选择较为合适的加工切削参数值,最终稳定工件的加工｡在进行铣削加工的过程中,薄壁零件的切削效果和实际加工中的参数选取具有一定的联系｡这不单和刀具材料的选取有关,还和机床以及数控系统的种类和性能有关｡而铣削用量的参数选取还将影响加工效率,对刀具造成的影响也不同｡究竟对哪些参数造成影响,还需要经验较为丰富的人员找到其中的参数交叉点｡而数控铣削加工中的刀具每齿进给量的合理性还将保障材料的品质,最终提高加工的效率,减少加工中的加工器具磨损｡对每齿进给量的调节可以调整加工中的切削力,最终减少加工误差｡这对于精加工十分重要｡

5具体实例

零件基本结构:零件最外面是一个尺寸为120×80×27长方体,零件的4边中心处加工出一个凹形缺口,按中心线对称,中间有一个直径为¢46mm的圆形台阶,其高度为4mm,圆形台阶上面是一个高为6mm,壁厚0.88mm的正五边形的薄壁设计,此处为本次加工的重点,倒圆角后与圆形台阶相切,五边形的中间部分设计一个R4圆弧,四个角的是倒角为2×45,孔为4-¢12的设计,表面粗糙度要求较高(Ra3.2)｡

5加工思路

由于本零件表面要求较高,加工思路选择:粗加工-半精加工-精加工-钻孔｡具体工艺如下｡

5.1粗加工

选取尺寸为122×82×30的毛坯,用面铣的方式上下各铣去1.5mm,这样就能够保证设计要求的27mm,然后铣去其他四面多余的2mm,进行整体开粗,曲面刀具路径有挖槽式铣削､等高外形铣削和平行铣削3种可选,根据本零件的设计要求,这里我们选择挖槽式铣削,因为挖槽式能够将零件的大部分设计的轮廓加工出来,而且走刀和抬刀次数少,这样缩短了刀具路径,能够有效地提高效率｡应用挖槽式铣削进行粗加工时,原则为边界外下刀,因此边界的选择尤为重要,最需要注意的就是薄壁部分,因为薄壁的设计为0.88mm,精加工时铣刀直径较大,容易造成变形,因此粗加工时余量需多留一些,这里选择留0.6mm这样总体壁厚在粗加工完成后保持在1.5mm左右｡

5.2半精加工

半精加工的主要目的为去除粗加工所剩余的残留料,避免残留料过多而影响精加工,这里我们选择等高外形铣削的方式,刀具选择¢8mm平底刀进行半精加工,保证精加工时的余量为0.3mm｡加工时刀具对平面xy进行轮廓切削,完成一个平面后刀具沿z轴平移,进行下一个平面切削直至完成｡

5.3精加工

根据零件设计,其最小曲面半径为R4.0mm,因此这里选用R3.0mm球刀,切削间距定为0.1mm,主轴转速设定为2700~2800,切削时刀具切处的速度选择相对较小,这样的设计能够保证零件的表面质量｡

5.4清角加工

由于精加工选用的R3.0mm球刀,因此在零件¢25的圆和R4的圆角的连接处会有残余料,需要清角,这里选择¢8的平底刀进行清角｡

5.5孔加工

对于设计中¢12H7的通孔,采用先在中心打中心孔,然后用¢6mm的钻头钻孔,最后用¢12mm的钻头扩孔｡钻孔刀路选用深孔啄钻,这种方式排屑效果好,而且能够改变刀具回退高度｡

6数控铣加工对工件装夹的要求

工件的装夹方式是制定数控加工方案首要考虑的问题，在确定装夹方案时应根据已选定的加工表面和定位基准确定工件的定位装夹方式，一般考虑以下几点︰

夹紧装置不得影响刀具的进给，工件的加工部位要敞开。

必须保证最小的夹紧变形，保证零件的精度。在机械加工中，如果切削力大，需要的夹紧力也大，要防止工件夹压变形而影响加工精度。应使夹紧力作用点通过或靠近支承点，避免把夹紧力作用在工件的中空区域。

对小型零件且单个工序时间不长的零件的加工应尽可能考虑成组下料或工作台上一次同时装夹几件、几十件进行加工，可有效缩短单件的装夹辅助时间，提高效率。

要求夹具装卸工件方便。装夹工件的辅助时间对加工效率影响较大，所以要求配套夹具装卸工件时间短而且定位可靠。批量较大时应尽可能使用气动、液压和电动等自动夹紧装置实现快速夹紧。

7结语

在进行薄壁零件的铣削加工过程中,需要在前期对工件进行加工工艺的优化,同时对加工的品质进行分析｡为了使加工过程更加平稳､加工品质更高,不仅要控制加工变形,还需要根据加工的工艺路线改进其工艺流程,使走刀的策略及加工的工序得到进一步优化,从而提高加工工艺系统的刚度,保障加工零件的质量｡

参考文献

[1]原俊卿.数铣加工薄壁零件工艺设计[J].科技尚品,2016,(3).

[2]袁华,覃岭.薄壁零件数控铣削加工工艺技术研究[J].装备制造技术,2011,(10):94-96.

[3]于成万.数控加工工艺与编程[M].人民邮电出版社.