薄壁船模零件的數控加工

東莞市技師學院 肖玉星 何蓓蓓

船模零件特征較多，且屬薄壁零件，形狀比較復雜。本文根據某船模零件二維圖紙，利用MasterCAM建立三維實體模型和加工刀路，然后用數控設備（加工中心）加工出零件產品，并針對其定位、夾緊和加工變形等加工過程中遇到的問題，制定了較合理的解決方案。結果表明，所采用的數控加工工藝方案能夠在保證產品質量的前提下高效地實現船模零件的加工。

一、引言

近年來，隨著數控技術的飛速發展，數控機床所加工零件的復雜程度也在不斷增加，對加工工藝的編制也提出了更高的要求。特別是鋁合金零件，大多形狀較復雜，特征多，且壁薄，通常是在一整塊材料上加工出零件形狀。如何保證薄壁零件加工后不變形、精度符合圖紙要求就成為加工者面臨的一道難題。船模零件，如圖1所示，即是此類零件之一。該零件周邊壁厚只有1毫米，中間的那塊板厚也僅僅1.2毫米，裝夾不當或切削力過大都會引起零件變形。本文介紹該零件的加工過程，以及防止薄壁變形所采取的措施。

圖1 薄壁船模零件二維圖

二、三維實體模型的建立

薄壁船模零件的二維圖如圖1所示，其技術要求為：（1）所有表面粗糙度要求Ra3.2。（2）未標注公差尺寸按GB/T1804-m。

通過對二維圖的分析，采用MasterCAM9.1對其進行三維建模，得到的結果如圖2所示。

圖2 薄壁船模零件三維圖

三、工件外形結構與材料特性

1.工件外形結構特點

如圖2所示，此工件是一個比較典型的結構零件，由于船模在設計過程中需要對完成初級設計階段的零件進行多項測試，以便于獲得修改參數，調整設計方案，所以必須將各個完成初步設計的零件加工出來，組裝成型后進行測試，這樣就對各部件的外形尺寸和相對位置尺寸要求較高。

由于此模型屬于上下對稱結構，上下兩面都需要進行加工，所以要求加工后零件的相對位置精度較高。保證二次裝夾的相對位置精度是該零件加工的關鍵之一。

為減輕模型的整體重量，船模大多以薄壁結構為主，本零件各處壁厚只有1mm，零件中的薄壁結構給加工過程中的裝夾定位、防止變形帶來了一定的困難。

2.材料特性

本次加工所用材料為LY12（2024），LY12是國內的老牌號，對應的國內的新牌號為2A12。

LY12具有較高的強度和良好的切削加工性能，而且密度小，但硬度較低，容易粘刀和容易產生切削變形。

四、裝夾定位方案的制定

該零件屬于薄壁件，主體壁厚只有1mm，加之使用材料為LY12，材質較軟，防止裝夾變形、切削變形及應力變形是加工中要切實考慮的重點。

此零件是在半精銑尺寸為160mm×80mm×24.6mm的整塊毛坯上挖出。為防止裝夾變形，采用壓板裝夾。加工坐標系的建立如圖3所示。使用三個壓板壓住毛坯，空出一個直角用作零件的編程原點和對刀點。

圖3 薄壁船模零件定位圖

五、本次加工的刀具選擇

由于鋁合金材料硬度較低，導熱性較差，切削溫度不會太高，但同時由于材質較軟，容易發生粘刀現象，影響零件表面質量，嚴重時可能使零件報廢。因此加工中選用鋁合金加工專用銑刀，使切削鋒利，以減小切削力和切削變形。本次加工選用的刀具規格具體見后面的“薄壁船模零件加工工藝卡”。

另外，還需注意刀具的外形結構，特別是一些小直徑的刀具如4mm鍵槽刀，其切削部分直徑是4mm，有效切削長度是12mm，夾持部分直徑是6mm，在切削部分和夾持部分中間是一段長約9mm的錐體過渡部分。

在加工時，φ4鍵槽刀要加工到最深處為13mm，使用直徑4mm鍵槽刀進行加工時，就會產生干涉現象，刀具的過渡部分會碰撞到工件，因此必須把刀具的過渡部分進行手工刃磨，以使刀具的有效切削長度增長至大于13mm，保證在加工時不會碰撞到工件。

六、切削參數的選擇

根據零件材質、刀具材料，并結合數控銑床的實際情況（機床最高轉速是6000 RPM，切太快時機床容易震動）等，在以往實踐經驗的基礎上，確定了適合此次加工的切削參數，具體見后面的“薄壁船模零件加工工藝卡”。

七、薄壁船模零件加工工藝分析與制定

本工件采用MasterCAM9.1軟件來進行刀具路徑的編制，MasterCAM9.1 軟件提供了多種加工技術和加工功能，各種加工方式將直接影響工件加工的質量和效率，如果要達到加工技術要求，就需要在編制加工刀具路徑時，針對不同的加工特點，選擇合理的加工刀具路徑。

使用MasterCAM9.1軟件自動編程，加工刀具路徑是否合理將直接影響工件的加工質量和效率。MasterCAM9.1軟件的加工刀具路徑，一般的方法難以同時保證平面與斜面的加工質量。如何合理編制加工刀具路徑才能達到加工要求是一個值得研究的問題。根據本人的工作實踐，認為對于相同的加工工件，在不同的加工位置需要用不同的刀具路徑去處理，這樣一來，就能夠在改善加工質量的同時提高加工效率。

1.加工思路

加工整體思路是：先開粗加工、再半精加工、后精加工。具體分析如下。

（1）開粗加工：粗加工可迅速去除較多的材料，提高生產效率。

（2）半精加工：由于開粗加工刀具間距和切削深度較大，工件有一定的余量，半精加工就是去除過多的余量，使精加工時受力減小，提高工件的加工精度。刀具選擇時應考慮粗加工所留下余量大小，使加工時不至于斷刀，且不會留下過多的余量，以使精加工時刀具受力均勻。平面加工（二維加工）時，用平刀加工，而曲面半精加工用球刀比較好，故此曲面與平面分開做半精加工及精加工（平面可不必做半精加工）。

（3）精加工：把工件各表面精加工到圖紙要求的尺寸與表面精度，同時要考慮加工效率，選擇刀具時要考慮到是否留有余量和過切現象發生。

2.加工難點分析

基于以上工藝分析、曲面特點及技術要求，本次加工難點有四個： 2D、曲面加工方法選擇問題；清角問題；挖槽時容易斷刀問題；薄壁加工容易變形問題。

（1）2D、曲面加工方法選擇問題。

在MasterCAM9.1軟件里，2D加工方法與三維曲面加工方法區別很大。2D加工方法有外形銑削、鉆孔、挖槽和平面銑削等幾種，功能比較簡單，只能加工比較簡單的二維形狀，但優點是產生的刀路很簡潔，加工時間比較快捷。而三維曲面加工方法有很多，還分為粗加工與精加工等各種不同的加工方法，功能很強大，可以加工復雜的曲面，但對應產生的刀路比較繁雜，加工時間比較長。

此模型以2D結構為主，優先選用2D加工方法加工，如大、小型腔的加工就可以用2D加工方法完成。但有些地方如外輪廓的加工，有的因為是曲面，用2D加工方法加工不了，必須用曲面加工方法來完成，另外有的地方雖然也可以用2D加工方法來加工，但比較繁雜或者加工出來效果不是很好，這些地方也需要用曲面加工方法來完成。本工件加工方法的選擇具體見后面“薄壁船模零件加工工藝卡”。

（2）清角問題。

殘料清角（曲面粗加工），此加工方法會根據前面大刀具的直徑計算出哪里有殘料，然后控制小直徑刀具只加工有殘料的地方。特別適用于用小直徑刀具清除大直徑刀具加工時不能切除到位置的殘料。

對于本工件，主要是要解決用φ4的鍵槽刀來清除用φ10的鍵槽刀粗加工時不能切除到位置的殘料問題，所以選用“殘料清角（曲面粗加工）”非常實用，可以控制φ4的鍵槽刀只加工有殘料的地方，沒有殘料的地方會忽略不加工，節省了大量時間，提高了效率。

（3）挖槽時容易斷刀問題。

此次加工所用刀具為普通高速鋼刀具，有的地方需要φ4鍵槽刀才能加工出來，但如果直接采用φ4鍵槽刀去加工的話，很容易斷刀，而且花費時間很久。為了解決這個問題，我采取先用φ10鍵槽刀粗加工，然后再用φ4鍵槽刀精加工。因為φ10鍵槽刀不像φ4鍵槽刀那么容易斷，而且吃刀量也要多許多，一舉解決了斷刀與加工效率問題。

（4）薄壁加工容易變形問題。

為了防止薄壁加工時變形，我采取加工時靠近側壁時切削速度不要太快，另外每次切削量不要太多，這樣就使刀具切削時對側壁的影響盡量減小。

另外，還要合理選擇下刀點，盡量選擇在工件外下刀，這樣一來安全，二來也對刀具、工件的沖擊力都小一點。

還要合理選擇進、退刀，盡量使刀具順滑切入切出，這樣對刀具、工件的沖擊力也都小一點。

3.加工工藝卡的制定

基于以上分析，比較幾種加工方法，提出以下加工方案，如表所示。

八、MasterCAM9.1建立刀路過程

1.粗挖大型腔

加工方法：挖槽（一般挖槽2D）如圖4所示。

圖4 2D挖槽

2.粗挖兩內小型腔

加工方法：挖槽（一般挖槽2D）如圖5所示。

圖5 2D挖槽

3.大型腔外形粗加工

加工方法：外形銑削（2D），如圖6所示。

注意：設置“圓弧進退刀”：使刀具順滑切入切出，減少沖擊力。

表 薄壁船模零件加工工藝卡

4.左邊小型腔外形粗加工

加工方法：外形銑削（2D）。

圖6 外形銑削2D

圖6 外形銑削2D

5.粗挖兩內小小型腔

加工方法：挖槽（一般挖槽2D），如圖7所示。

圖7 一般挖槽2D

6.四個內小型腔外形精加工

加工方法：外形銑削（2D） 如圖8所示

圖8 外形銑削2D

7.大型腔外形精加工

加工方法：外形銑削（2D），如圖9所示。

圖9 外形銑削2D

8.精銑內大型腔底面

加工方法：挖槽（一般挖槽2D），如圖10所示。

注意：①設置“由內而外環切”。

②要設置“螺旋式下刀”。

圖10 一般挖槽2D

9.鉆中心孔

加工方法：普通鉆孔，如圖11所示。

圖11 一般挖槽2D

10.鉆孔

加工方法：普通鉆孔。

11.外輪廓粗加工

加工方法：挖槽粗加工（曲面粗加工），如圖12所示。

圖12 曲面挖槽2D

12.外輪廓二次粗加工

加工方法：殘料清角（曲面粗加工），如圖13所示。

圖13 殘料清角

13.外輪廓精加工

加工方法：等高外形（曲面精加工），如圖14所示。

圖14 等高外形銑削

14.外輪廓補充精加工

加工方法：曲面流線（曲面精加工），如圖15所示。

圖15 曲面流線

15.外輪廓平面補充精加工1

加工方法：淺平面加工（曲面精加工），如圖16所示。

圖16 淺平面

16.外輪廓平面補充精加工2

加工方法：挖槽（一般挖槽2D），如圖17所示。

注：因為該部分是平面，為了不過切到側壁，采用“一般挖槽2D”來加工此平面，但因為此部分加工面積很小，為了能順利加工到該部分，特意把加工范圍擴大一些。

圖17 2D挖槽

九、最終加工效果圖

圖18 最終加工效果圖

圖18為最終加工效果圖。 由于此模型屬于上下對稱結構，上、下兩面都需要進行加工，上述只是加工了上面，下面的加工和上面類似，就不重復敘述。但要注意，為了保證二次裝夾的相對位置精度，對刀點要和上面加工時的對刀點一致，即取同一直角。

十、結語

綜上所述，根據此次加工采用毛坯、刀具，并結合數控銑床的實際情況， 在以往實踐經驗的基礎上，確定了適合此次加工的切削參數。

另外根據船模零件的加工特點及加工難點，通過對MasterCAM9.1軟件各加工方式與加工刀具路徑進行詳細比較與分析，提出了合理的加工方案。

使用上述的加工方案，順利解決了加工中的難點問題，而且加工效率較高加工出的工件能達到各項技術要求。可見編制的加工刀具路徑合理。