薄壁零件加工工藝實現關鍵技術研究

劉曉瑩 柳曉川

摘要：隨著數控制造技術的發展，薄壁零件由于具備占有空間小、重量輕、結構緊湊、耗材小等特點，在滿足工件的設計性能要求，即保證材料強度和剛度的技術指標要求下，廣泛地被應用在航天航空、精密機械、檢測儀器、模具和汽車等機械制造行業設備產品中。

關鍵詞：薄壁零件;穩定性;加工;影響因素

1.薄壁零件加工穩定性

零件的加工往往考慮精度和加工效率兩個方面，首先是零件切削過程的穩定性，保證零件加工精度，其次充分發揮機床的性能以提高生產效率，降低制造成本。為了減少切削過程中產生的振動現象，切削系統無顫振的穩定切削往往限制了機床自身諸多先進性能的發揮。機床-刀具-零件切削系統在構建數學模型時，一般假設機床是剛性的，刀具-零件之間的切削力動態模型成二階振蕩環節形式。實際上薄壁零件的切削過程不僅與切削位置的變化、刀具-零件振動系統的質量和彈性模量有關，而且與刀具、薄壁零件的固有頻率密切相關。

1.1刀具-零件振蕩系統的建立

在刀具切削力的作用下，薄壁零件發生彈性變形，刀具刀齒的切入切出使零件受力進行周期性變化，隨著不斷高速切削，零件厚度降低，刀具與工件之間摩擦力的作用大小和方向也會發生變化，對刀具-零件系統的穩定性影響越來越大，為方便進行力學描述和數學表示，刀具-零件切削系統簡化為質量、彈簧和阻尼三個要素。

圖1-1所示的刀具-零件振蕩系統模型

由圖1-1所示的刀具-零件振蕩系統簡化模型，建立單自由度振動系統的運動微分方程并進行拉氏變換后，整理得刀具-零件振蕩系統的傳遞函數為為：

式中：y（t）為在運動方向上的振動位移;

F（t）為薄壁零件動態切削力;?

m為刀具-零件系統的等效質量;

c為刀具-零件系統的等效阻尼;

k為刀具-零件系統的等效剛度;

，為刀具-零件振蕩系統的固有頻率。

1.2薄壁零件切削的穩定條件?

通過建立刀具切削力模型，獲得刀具-零件振蕩系統的最大軸向切削深度與系統、刀具、零件固有頻率的穩定性關系，計算公式如下：

式中：為切向切削力系數，y方向積分系數。

從上式可以看出，薄壁零件的壁厚加工的穩定性取決于切削力的激勵頻率、切削系統固有頻率。由于構建刀具-零件振蕩系統數學模型時，假定零件是剛性的，實際上加工的穩定性隨薄壁零件的固有頻率的降低，也會產生顫振現象。特別是高速加工技術，當切削力的激勵頻率的諧波頻率與薄壁零件固有頻率接近時，就會引起切削力的不穩定，造成強烈的振動，破壞薄壁零件的加工質量。

2.薄壁零件加工的影響因素

2.1薄壁零件低頻加工的影響因素

零件的精度和表面粗糙度主要取決于加工的工藝參數，相對于高速加工技術，也無顯著表面硬化現象。因此在普通數控加工過程中，低頻加工增加了薄壁零件的切削穩定性，減小了加工溫度、表面硬化的影響。薄壁零件的彈塑性變形主要取決于加工切削力的大小。

2.2影響薄壁零件數控加工的工藝參數

薄壁零件的加工的影響因素很多，主要包括零件的材料和結構形式、加工切削力、裝夾方式、走刀路徑等幾個方面，還涉及到切削熱、殘余應力、表面硬化、刀具的幾何參數等因素。

2.2.1薄壁零件材料和結構形式的影響

不同的材料可加工性是不同的，在加工過程中切削力和產生的切削熱也是不同的，從而導致工件的尺寸變化也是不同的;材料相同的零件，結構不同時，比如有加強筋的薄壁件和沒有加強筋的薄壁件，用相同的加工工藝加工后的尺寸變化也是不同的。

2.2.2切削力的影響

薄壁零件加工在切削過程中盡量保持金屬切除率的穩定性、保持切削載荷的恒定。薄壁零件的加工是斷續的，影響切削力交變的原因主要是：一是切削量隨著刀具的切削刃切人和切出發生周期性變化，頻率為以刀齒整數倍的交變，切削力主要由切削參數決定，減小吃刀量可以減小變形;二是由于切削過程中存在機床-刀具-零件的系統振動產生的切削力交變分量。當加工進給速度提高時，對機床的固有頻率提出更高要求，高速加工中由于顫振引起的切削力變化遠高于平均銑削力，同樣避免系統固有頻率附近發生顫振。

2.2.3裝夾的影響

裝夾是機械加工中一個非常重要的環節，它不僅要保證工件在機床上占據正確的位置，而且在受到外力時也能保持正確的位置不發生變化。然而，特別是對于薄壁件的加工，裝夾會在一定程度上導致工件的變形，雖然這種裝夾變形不能消除，但可以通過對裝夾方式的優化減少工件的變形。在銑削過程中，裝夾產生的夾緊力與切削力相互作用，使零件的初始殘余應力與加工中的殘余應力重新分布，從而引起工件的變形。特別是對于那些回彈變形大的零件，裝夾導致的變形更嚴重。

2.2.4加工路徑的影響對于同一個工件，加工工藝路徑不一樣，裝夾次數，產品的質量和生產效率也大不相同，這是由于加工路徑不同，加工中精度保障和加工時間也是不同的。?除了以上因素外，切削參數、刀具尺寸、加工工藝、熱變形、機床的加工精度、振動特性以及其他隨機因素同樣會對工件的加工精度和效率產生影響。

結論

本文以薄壁零件數控加工工藝為研究對象，研究了薄壁結構零件數控加工過程中的穩定性和影響因素，為優化數控加工工藝參數、工藝設計方案提供相關技術支撐，以降低薄壁零件的加工成本，提高生產效率。

參考文獻：

[1]孔祥東.機械控制工程基礎（第三版）.機械工業出版社，2008.3