薄壁圓形零件的工藝分析及編程加工

晉 康

（山西機電職業技術學院，山西 長治 046000）

0 引言

合理地安排加工工序對零件的加工質量有著至關重要的影響，有效合理的工序不僅在保證零件加工質量的基礎上所用時間最短，更是突破零件加工難點的關鍵所在［1－2］。本文給定的薄壁圓形零件由于材料及結構限制，當加工圓柱面上具有復雜輪廓的前后通孔時因為變形導致零件報廢，且特殊的密封槽結構難以通過常規手段進行加工。針對這一問題，通過對原有加工工藝的認真分析，重新制定了合理的加工工藝，優質高效地完成了零件的加工。

1 薄壁圓形零件的工藝分析及工裝設計

薄壁圓形零件的結構如圖1所示。零件材料為鋁合金，毛坯尺寸為Φ42mm×42mm。圖1中未注尺寸公差控制在±0.05mm以內，且加工完成后表面要求光滑平整無毛刺。

圖1 零件圖

分析零件圖紙及要求可以發現，該圓柱形薄壁零件的結構特點如下：

（1）零件加工精度要求高，多處尺寸要求控制在一定的公差范圍內。

（2）零件屬于薄壁零件，剛性差，加工過程中變形大，難以保證形位公差與加工質量。

（3）零件下部結構復雜，與上部圓同軸度要求較高，需設計特殊工裝防止多次裝夾帶來的同軸度誤差。

（4）圓柱面內側密封槽結構特殊，需采用多軸聯動方式進行加工。

綜合以上零件結構特點，采用五軸機床對其進行加工。首先采用常規三軸加工策略完成粗加工及規則特征的加工，最后采用五軸曲線的加工方式完成密封槽這一特殊結構的加工［3］。零件的工裝需加工者自行設計，工裝夾具為四方凸臺結構，在凸臺中心分步加工出4個螺紋孔，同時在零件毛坯上沿中心加工出4個螺紋孔，通過螺栓將零件毛坯固定在工裝上完成裝夾［4］。

2 薄壁圓形零件的加工工藝研究

2.1 零件各表面加工方案

零件使用鋁合金材料，采用圓柱形實心毛坯，數控加工工藝按粗加工、半精加工、精加工順序進行編排。粗加工使用尺寸較大刀具快速去除余量加工出零件大致形狀，半精加工使用較小直徑刀具去除剩余余量，剩余適當余量在精加工階段完成去除。精加工根據零件結構特征采用不同刀具及工藝分區域加工，以保證加工表面質量［5］。薄壁圓形零件加工工藝過程如表1所示。

表1 薄壁圓柱零件加工工藝過程

2.2 零件子工藝分析及數控編程

在對零件加工刀路編制前，需要將零件及夾具的造型文件導入到編程軟件中，同時選擇加工使用的機床型號、刀具，完成夾具及工件位置的正確擺放，以便完成刀路編制工作后使用軟件模擬加工過程，防止加工過程中有過切、碰撞等事故的發生［6］。

2.2.1 圓柱面頂面加工

零件毛坯安裝完成后，首先對頂面進行粗、精加工，以保證零件頂面的加工質量，其目的在于加工出精基準，在反面加工時控制零件高度在公差要求范圍內。粗、精加工使用同一把Φ6平底刀按不同切削參數完成。粗加工轉速為10 000r／min，進給速度為3 000 mm／min；精加工轉速為12 000r／min，進給速度為1 000mm／min。加工過程中開啟切削液，以降低被加工表面粗糙度。圖2為零件頂面光整加工刀路。

圖2 零件頂面光整加工刀路

2.2.2 零件外輪廓加工

為滿足零件側面粗糙度及加工質量的要求，需要利用平底刀分兩次對側面進行加工。第一次控制加工深度為每層0.5mm，下刀角度為1°，側壁剩余余量為0.15 mm，粗加工轉速為10 000r／min，進給速度為3 000 mm／min；精加工時控制加工深度為每層2mm，下刀角度為2°，為避免進退刀時在加工表面上留下刀痕，應設置進退刀角度，精加工轉速為12 000r／min，進給速度為1 000mm／min。圖3為零件外輪廓加工刀路。

2.2.3 頂部曲面加工

為保證曲面的加工質量，需要使用球頭刀分3次進行曲面精加工。首次曲面精加工采用Φ2球頭刀對加工域進行加工，為提高加工效率，路徑間距為0.1mm，加工面剩余余量為0.1mm［7］，精加工轉速為12 000 r／min，進給速度為2 000mm／min；第二次曲面精加工減小路徑間距至0.05mm，將余量進一步加工至0.05 mm；最后一次曲面精加工調低路徑間距為0.01mm，將曲面加工至要求尺寸，加工參數為轉速12 000r／min、進給速度1 000mm／min。圖4為零件頂部曲面輪廓加工刀路。

圖3 零件外輪廓加工刀路

圖4 零件頂部曲面輪廓加工刀路

2.2.4 底部圓柱面加工

由于零件底部結構外徑較頂部結構小，采用常規的三軸加工刀路無法完成加工，故使用四軸旋轉加工方式對底部結構進行加工，以保證零件上、下圓柱結構的同軸度。首先利用Φ3平底刀對多余余量進行分層粗加工，快速加工出基本輪廓，控制加工面側壁與底部余量為0.1mm，加工參數為轉速10 000r／min、進給速度2 000mm／min；第二步使用旋轉精加工命令，利用Φ2球頭刀去除剩余余量，路徑間距設置為0.05mm，加工參數為轉速10 000r／min、進給速度1 000mm／min。底部圓柱面四軸旋轉加工刀路如圖5所示。

2.2.5 密封槽加工

密封槽是位于零件內圓柱面上的槽，采用三軸及四軸刀路無法完成此結構的加工，只能利用五軸曲線加工方式完成此特征結構的加工［8］。為將密封槽加工至要求尺寸，加工過程分兩步進行，首先利用Φ1.5球頭刀進行密封槽開粗，此刀路不設置加工余量，只利用刀具外形控制密封槽輪廓尺寸；第二步利用Φ2球頭刀使用五軸曲線加工將密封槽加工至要求尺寸，加工參數為轉速12 000r／min、進給速度1 000mm／min。密封槽五軸曲線加工刀路如圖6所示。

圖5 底部圓柱面四軸旋轉加工刀路

圖6 密封槽五軸曲線 加工刀路

3 結語

多軸機床的使用使得零件在一次裝夾下即可完成多種特征及曲面的加工，提升加工效率的同時保證了零件的尺寸及形位公差要求。由此可見，多軸機床的使用極大地提高了加工效率與制造質量。