薄壁零件數控加工工藝優化

蔡 君

（上海杰興汽車配件制造有限公司，上海 201706）

0 引言

薄壁零件具有重量輕的優點，但存在使用強度不足、結構復雜等問題[1]。由于現代新技術產業和制造業對零件的精度要求非常高，在薄壁零件加工時，需要考慮精度和強度對零件的影響[2]。為了提高薄壁零件加工的精度，需要全面細致地分析影響加工精度的因素，并進行改進[3]。現代加工技術的發展帶動了薄壁零件數控加工技術，使其逐漸高效化、精密化，逐步發展為現代高新技術產業的根基，成為制造技術的重要組成部分。因此，以下研究薄壁零件數控加工的優化工藝。

1 影響薄壁零件數控加工工藝質量的因素

影響薄壁零件數控加工的因素有很多，目前高新技術產業和制造業追求的工藝標準是當前的精密制造行業面臨的重要問題。薄壁零件具有重量輕的優點，但同時也具有強度較低、結構復雜、容易損壞或變形的缺點。在數控加工過程中，為了提高薄壁零件的數控加工精度，應對所有影響因素進行深入分析[4]。

一般情況下，機床強度影響著機床的工藝路線，影響著加工工件的加工精度。在工件切削中，切削速度、切削深度都會導致工件變形，零件變形是影響加工精度的最重要因素[5]。為了改善這種情況，預先設計合理的夾緊方法，及時進行改進，提高數控加工工藝的精度。

在研究零件的夾緊狀態時，需要先研究與定位、自由度有關的夾緊裝置，記錄夾緊后零件的數據變化，進行數據分析，判斷導致夾緊變形的力的位置。大多數夾緊裝置需要借助特殊夾具進行加工，如輔助軸承、導環、膨脹套筒等[6]。

多次試驗后發現，切削力由切削速度決定，速度根據參數進行設定，因此需要根據加工參數確定切削速度。對處理的精度影響較大的因素除速度外，還包括主偏轉角、輔助偏轉角和路徑規劃等。在加工過程中，軸向和徑向切割力的分布要根據切割角度來確定[7]。刀具的路徑規劃是影響加工精度的重要因素，需要在切削中選擇最優的路徑，保證加工精度。最優刀具路徑可超出傳統刀具路徑的限制，提升加工效率。

為了進一步提高薄壁零件加工工藝的質量，要了解引起加工零件變形的因素，找出變形的具體規律，進行深入探索和分析，建立科學合理的工藝生產線，處理工藝生產過程中出現的變形問題，提供合適的解決方案。

根據加工實踐，得出影響薄壁零件加工工藝的主要因素有以下6 個：①機床的加工精度，特別是重復定位精度；②加工原材料的晶相結構、硬度和塑性變形的屈服強度；③刀具的刃口和刀體的材料；④零件夾緊方式、夾緊力和科學的定位方式；⑤走刀控制，包括切削線速度、切削方向、切削進刀速度和切削深度；⑥切削液微觀層面的熱交換。

2 實驗數控加工薄壁零件方法分析

2.1 工藝設計

在實際薄壁零件的數控加工中，必須完成數控仿真分析，確定零件在加工過程中所受的載荷布置和應變關系，為設計工藝方法提供指導。該過程可以根據公式F=KU 進行。其中F 是薄壁零件的承載陣列，K 和U 分別代表基體的加工應變。降低F 值和提高K 值可以提升零件的質量。在材料選擇時可以通過調整K、F 值來提高零件的強度，達到加工工藝需求。通過仿真分析，可以找出零件變形的原因，并根據受力情況提出改進的加工方案，保證零件質量。結合數控加工實踐可以看出，零件的變形和表面加工的精度主要受切削力的影響。

采用科學的加工方法，在切割多余材料的同時，有效控制加工質量，可以使用有限元模型加載銑削力，設置刀具參數、切削量等工藝條件，觀察不同參數條件下零件的變形狀態，準確確定切削力；從控制零件變形程度的角度調整工藝參數，可以保證零件加工質量。

2.2 零件裝夾

在零件裝夾時，加工零件的工具需要具有較短的懸伸長度，有效控制慣性力和轉動力矩。在零件加工時，加工工具隨著主軸旋轉，加強了重心控制，使零件更靠近主軸頂部，能有效控制慣性力，避免過大的旋轉扭矩，提高加工精度。懸伸長度也必須符合加工要求，避免零件裝夾時出現脫模、夾具損壞等問題，使夾具更耐用。在裝夾時還需確保零件與機床良好配合，避免旋轉時離心作用過大產生加工誤差。

2.3 走刀控制

在薄壁零件切削時，需要合理選擇切削角度，進而使用較小的力就能達到加工要求，因此必須進行走刀控制。由于薄壁的強度低，切削時盡量選擇90°主偏角，減小徑向力和切削誤差。以45#鋼切削為例，切削參數見表1。刀具切削路徑和切削速率在控制、分析時，需與表面粗糙度和主軸速度相結合。在零件表面加工外圓時，按粗加工、半精加工、精加工合理確定切削量和規劃路徑。粗加工采用級聯方式，為有效控制摩擦，通過適當增加刀具的前后角來減小零件上的應變。

表1 切削參數選擇

3 數控加工薄壁零件加工工藝優化改進策略

3.1 工藝問題分析

分析某零件加工時的工藝問題，得出優化策略（圖1）。零件為帶通孔的鋁合金圓管，長度為150 mm。在零件加工時，首先應完成中間60 mm 的外圓加工，然后再進行圓柱度為0.03 mm的內圓加工，表面粗糙度為Ra 0.8 μm。在鋁合金零件加工時，受到材料性能、零件結構等多方面因素的影響，容易產生變形，不能滿足零件的圓柱度、粗糙度等要求。材料的低熱導率很容易在零件加工時引起高溫問題，切割過程容易消耗過多能量，產生更高的溫度。由于材料的低可焊性和硬化傾向，在加工時還容易形成積屑瘤和硬化層，導致加工堵塞，影響表面粗糙度。

圖1 某零件

該零件的CNC 加工結果表明，在進行加工工藝優化時，應注意粗、精加工的加工順序，端面加工完成后才可以加工內孔，完成內孔精加工后再進行表面處理。在加工效果上，內孔圓柱度可達0.1～0.12 mm，表面粗糙度在Ra 0.8～1.6 μm，才能滿足設計要求。零件必須去除毛坯80%的材料，加工余量較大，容易產生較大的切削應力；在毛坯鍛造階段，零件經過熱處理后也容易變形，影響加工精度。

3.2 工藝方案改進

考慮到對零件加工精度要求，必須在數控銑床上完成外表面加工和鉆孔操作。根據原理改進方案，端面必須首先需要進行粗加工，采用退火熱處理工藝消除應力后，才可進行精銑。在加工初期，殘余應力經放置時效消除，避免新的加工應力產生過多的零件形變。在粗加工和精加工階段如果需要銑削，必須重復消除應力2～3 d，以使應力完全釋放，再消除刀具參數、載荷布置等因素對零件處理的影響。在加工時需要先完成外圓的粗銑，然后再進行鉆孔。為了有效控制孔的粗糙度，粗加工保持高轉速、低進給的加工狀態；在精加工過程中，盡量選擇較小的切削深度，保證切削效果，避免切削誤差。

3.3 加工方法改進

為了保證零件加工質量穩定，需要保證用于加工的毛坯符合加工要求，使用的刀具需要剛性和強度都符合標準，在加工和切削時選擇專業的工裝夾緊工件。工具保持器需要配備有阻尼吸收模塊的工具架，防止加工中出現工具架彎曲變形甚至振動的問題，保持零件穩定加工。考慮到零件的長度和零件加工的框體，該刀架主軸精度必須控制在0.005 mm 之內。在設置傾斜導向床時，必須保證導向床的位置滿足加工需求，誤差不能超過0.01 mm。工藝夾頭處的結構強度不足，為了滿足夾緊要求，需要保證裝夾變形量在標準范圍內，如采用三點式柔性卡爪改善夾緊結構，避免因裝夾變形造成內孔超差。

根據毛坯料確定切削參數，根據銑床的回轉直徑和機床穩定性選擇加工刀具。提升刀具進給速度和加工深度，切削力也會增加，可能導致刀具或加工件變形。為了降低切削力，必須減少加工深度，增加切削線速度。粗加工時為了去除較多的加工余量，可增加進給速度，降低表面粗糙度，調整變形部分的內應力。

4 結束語

在工藝改進效果方面，采用改進的方法加工薄壁零件，避免產生振紋、變形等問題，提升加工精度，滿足高精密制造需求。結合分析結果可以看出，一般在數控加工薄壁零件時會降低零件的加工精度，且可能造成零件變形和損壞，影響加工質量和加工效率，面對這種情況可強化CNC 加工，通過分析預測法實現工藝改進，更好地進行零件裝夾和切削控制，通過工藝優化達到理想的加工效果。