薄壁鏤空型工件的加工變形控制及工藝優化

崔亞超

（北京精雕科技集團有限公司，北京 102308）

薄壁型工件加工，材料去除率往往較大，由于剛性不足容易造成變形和振動，引起表面粗糙度較差，所以一直是機械加工行業里面的難題[1]。從國內外研究看，雖然關于此類零件加工的研究較多，但往往是針對工件的薄壁特征進行加工理論分析或者針對影響薄壁加工的工藝系統精度指標進行數值分析和有限元仿真[2]。而對于具體零件的加工解決方案和與多軸加工結合的研究目前涉及較少。尤其在薄壁的基礎上增加鏤空特征，加工難度進一步加大，剛性不足造成的變形將更加復雜，以往研究中依靠填充材料的方法在實際加工工藝中變得難以操作。

以下加工試驗摸索了多軸加工薄壁鏤空型工件的工藝條件，通過研究加工過程中影響加工表面質量的因素，采用高速銑削、針對工藝系統的試驗設計和刀具路徑的優化，很好地解決了工件側壁和底部的表面質量控制難題，并能較好地控制底部曲面的變形，解決了多角度定位加工過程的銜接問題。

1 加工對象

1.1 加工模型及要求

研究樣件為仕女模型，如圖1，尺寸為48 mm×48 mm×135 mm，采用自由曲面造型技術構建。該工件結構復雜，衣服裙帶、配飾等為全鏤空結構，細節較多。琵琶頭部結構精細，材料采用59 銅。該工件的外觀要求較高，接刀臺階不超過0.03 mm，表面粗糙度不大于Ra 0.8 μm。

圖1 仕女模型

1.2 加工難點

（1）仕女工件屬于細長懸伸結構，在多角度定位加工中易產生接刀臺階，若臺階較大，后期的打磨和拋光處理極易破壞曲面模型的細節部分。

（2）仕女模型細節較多，使用的切削刀具較小，刀具的剛性差，加工中容易出現刀具讓刀，引起表面質量下降。

（3）衣服裙帶、配飾和琵琶部位的厚度很薄，大部分厚度約為1 mm，最小處0.8 mm，且使用的59 銅硬度只有HB 70～90，工件在受到切削力時容易產生變形，且由于間斷性的切削而產生振動，導致零件的表面粗糙度難以達到要求。

2 加工裝備

采用了動梁龍門式結構的五軸聯動高速加工機床，機床主切削運動采用電主軸形式，最高轉速28 000 r/min。集成擺動式直驅數控回轉工作臺，轉軸部分直接由轉矩電機驅動。5 個軸分別為3 個直線軸XYZ、2 個回轉軸AC，工件裝卡結構為四爪卡盤。

3 加工方案優化及討論

仕女模型的加工，鏤空部位刀軸方向變化不連續，只能采用多軸多角度定位加工，因此在接刀過程中易產生臺階。而減小臺階的方法就是要提升工藝系統的穩定性，優化加工程序，繼而減小切削變形。以下討論的主要內容包括：工藝系統的熱變形、刀具跳動的影響和切削過程引起的工件變形[3]。

3.1 減小工藝系統熱變形

機械加工中，工藝系統在多種熱源影響下產生熱變形，從而破壞刀具與工件之間正確的幾何關系與運動關系，產生加工誤差，而這種誤差在加工中最直接的反映就是多角度定位加工時，兩個程序無法銜接[4]。所以機床運行過程的熱變形是關乎機床穩定性的重要指標，下面將分析機床電主軸的熱伸長和絲杠的熱伸長對加工精度的顯著影響[5]。

3.1.1 電主軸的熱伸長對加工精度影響分析

試驗方法：電主軸轉速10 000 r/min，Z向不運動，由運轉到穩定運行再過渡到停止進行了兩個循環。電主軸冷卻采用普通制冷機實現，恒溫26 ℃，使用動態測量儀檢測，結果如圖2 所示，其中橫軸為時間軸，縱軸為電主軸轉子伸縮量數據。

圖2 電主軸運轉-穩定-停止循環過程轉子伸長量隨時間變化圖

可以看出：在第一個循環中，電主軸旋轉開始到穩定的過程用時約15 min，在此階段電主軸一直緩慢伸長；第15～35 min 共20 min 為穩定階段，中間主軸伸長量變換趨于平緩；從第35～57 min 共22 min 為停止轉速的階段，此階段的前8 min 左右幾乎沒縮短，之后的14 min 緩慢縮短，共縮短約6 μm 左右（基本上呈現線性變化）。由于電主軸為刀具系統提供切削運動，同時電主軸跟隨機床Z軸運動，在仕女模型加工中，電主軸的變化將遵從以上規律形成加工誤差。因此實際工藝設計中，要在加工開始階段，充分考慮主軸在Z向的持續伸長引起的加工深度變化。

3.1.2 絲杠熱伸長影響加工精度分析

試驗方法：先讓Z軸上下往復運動，同時電主軸旋轉10 000 r/min，30 min 后伸長基本穩定，然后停轉并采用對刀儀（用于刀具參數的測量和調整）對刀的方式來測量刀尖點的伸縮。每隔30 s 檢測1 次，進行了3 次試驗。前兩次采用普通制冷機（定溫26 ℃），第三次采用變頻制冷機（定溫26 ℃，±0.5 ℃）。結果如圖3 所示。

圖3 刀尖點伸縮變化趨勢圖

由實驗結果可得：主軸和Z軸停止運動后，3組中刀尖點均馬上出現收縮并呈現線性變化。普通制冷模式下的收縮量約為30 μm，而變頻制冷機收縮量小一些，約為25 μm。由于絲杠將帶動機床直線軸的運動，絲杠的熱變形將引起刀具與工件相對位置的變化，造成加工誤差。因此，仕女加工工藝設計中，也要考慮這一部分的變形量補償。

3.1.3 減小接刀臺階工藝優化

匯總主軸與絲杠的熱伸長實驗分析結果，針對仕女工件在多角度定位加工中易產生接刀臺階的情況，提出了優化方案，見表1。

表1 工藝系統熱變形優化方案

3.2 優化刀具系統

刀具系統的動態跳動將引起工藝系統的振動并直接降低工件加工的表面質量。而產生動態跳動的主要原因是電主軸的動平衡和刀具的裝夾精度。仕女模型的加工由于使用的刀具比較小，而且刀具伸出的長度較長，刀具系統的剛性較差，這會加劇不平衡量引起的加工質量問題[6]。

試驗方法：采用D=6 mm的刀具，研究了刀具在裝夾中伸出30 mm 時不同轉速下的動態跳動距離的曲線，見圖4。在測量前檢測靜態跳動為0.003 mm。

圖4 D6 mm 刀具伸出30 mm 時的動態跳動曲線

可得，刀具跳動在主軸動態時會比靜態時大2倍以上；在不同轉速下，跳動量會出現波動。根據上述測試結果對59 銅材料試塊的加工測試了12 次，分析試塊表面粗糙度，記錄數據，繪制變化趨勢圖，見圖5。其中試驗的側向進給量、背吃刀量和進給速度保持一致。

圖5 不同轉速和振動值下加工驗證的表面粗糙度折線圖

由圖6 可得，主軸振動在0.065 mm 時，工件表面粗糙度最小。也就是說，采用振動小的轉速加工出來的零件表面粗糙度值要整體偏小，穩定性更高。因此，加工中要控制好刀具跳動，減小主軸振動。在仕女模型加工時，要先檢測刀具的跳動量，控制圓跳動在0.003 mm，刀具裝在電主軸上，并進行動平衡調整，保證不平衡量在G2.5 等級下，測量值在1.0 g 以內，根據檢測結果調整主軸轉速，控制電主軸振動值不超過0.1 mm/s，使加工中表面粗糙度得到較好控制。

圖6 仕女加工分區圖

3.3 分區加工優化程序

機械加工中，工件受到切削力作用產生變形將直接影響到加工精度，同時加工變形也會引起振動，造成表面質量下降和刀具破壞，所以薄壁鏤空件加工中，提升加工過程中工件的結構剛性將十分關鍵[7]。為此，設計的工藝方案把模型分成4 段加工，如圖6，并采用了CAD/CAM 集成系統完成自動編程。

模型加工的工藝方案是按照多軸定位加工思路分段進行粗加工和半精加工，再進行精加工。精加工時第1、2 區塊定義加工坐標系采用多軸定位加工；第3、4 區塊采用多軸聯動的加工方式，詳細工藝方案如表2。

表2 加工工藝方案設置

此次加工工件結構復雜，切削刀具較小、剛性差，加工中容易出現刀具讓刀而產生加工誤差。刀軸方向的定義是減小誤差的關鍵環節，定位加工時加工角度通過視角（三維圖形的觀察角度）方式設置，操作時要保證加工到位和刀具伸出盡量短（減小加工讓刀）。編程時則把視角方向設為工件坐標系的Z軸方向，即加工中的刀軸方向。實際加工角度為21 個。

在第3、4 區塊，利用投影加工的原理生成聯動刀具路徑。首先為復雜的曲面模型構建近似的單一輔助曲面，再根據輔助面計算刀具路徑的刀軸方向，并把單一曲面上生成的刀具路徑根據刀軸方向投影到實際的加工曲面上去。

根據切削速度的計算公式[8]：

式中：vc為切削速度，m/min ；D為刀具上選定點的直徑，mm；N為轉速，r/min。

據式（1）可知：由于加工時刀具/工件位姿角部分位置不合理，有些位置會出現切削點落在球銑刀上線速度等于零的旋轉中心線上。故需要優化刀具/工件的刀觸點位置，從而獲得更高的切削速度、切削線寬。

進一步分析，仕女模型加工中，為避免刀具中心作為加工過程中的刀觸點，參照單一輔助面的曲面法向，優化刀具/工件的刀觸點位置，調整刀具相對于切削方向的角度，包括調整前傾和側傾角度。這樣生成的刀具路徑可以很好地保證加工要求。

通過分區域多軸高速銑削完成加工過程，分析工件表面粗糙度可見，鏤空部位最大0.696 μm，非鏤空部位最大0.198 μm，滿足產品表面粗糙度要求，工件的加工效果如圖7 所示。

圖7 加工工件效果

3.4 討論

（1）薄壁鏤空型工件加工時，需要多次定位，微小的變形對工件就會產生較大的影響。減小工藝系統熱變形，可明顯提升機床各軸運動精度，減小多面加工的刀具銜接痕跡。對于精度要求較高的鏤空類零件，不可忽視工藝系統熱變形的影響。

（2）通過控制刀具跳動、減小主軸振動，使得仕女工件表面質量明顯變好。這說明對于復雜表面鏤空類工件，提高工藝系統剛性、減小工件變形是減小振動和保證加工質量的關鍵因素，具體實施中需要根據加工件的結構特點和要求，摸索合適的主軸變速等加工參數，通過控制刀具跳動量實現更高精密要求的加工。

（3）通過分區域加工，提高了工件加工過程中的剛性，解決了刀具銜接痕跡的問題和加工薄壁鏤空件的變形問題。

4 結語

在多軸加工中，通過穩定工藝系統熱變形、提高工藝系統剛性、避免重復裝夾和采用分區域等綜合優化方案，提升了薄壁鏤空型工件的表面加工質量。該方案區別于以往工藝人員對于加工過程的設計都著眼于于工藝步驟與工藝參數，不僅對薄壁鏤空型工件的加工給出合理的工藝路線，還把過程管控與之結合，這為金屬切削領域的從業人員提供了一個很好的參考樣本，拓寬了多軸精密加工的思路。