數控加工薄壁零件的關鍵工藝與注意事項

張 蕾

(定西中醫藥科技中等專業學校，甘肅 定西 748100)

0 引言

隨著我國機械加工業的快速發展，社會生產生活所需的各種機械產品、零配件的制造供應能力明顯提升，尤其在數控機床技術的普及與推廣促進下，生產過程的加工精度和加工效率明顯提升，對于很多傳統采用人工操作加工較難的零件也能通過數控技術得到良好解決。薄壁零件是數控加工制造過程中常見的一種特殊零件，與普通機械零件相比，薄壁零件的加工要求更為嚴格，加工工藝設計與機械制造的難度也更大。合理的數控工藝設計能夠有效保證薄壁零件的加工品質，同時顯著提高大批量生產加工的效率與合格率。但在現階段的機械加工生產過程中，常出現因加工工藝與程序編制不合理導致的薄壁零件加工質量不合格問題，因此，以薄壁零件的加工品質優化為目的，開展了工藝與加工誤區分析，希望對機械加工業提質增效提供助力。

1 薄壁零件的特征

無論傳統的半自動化加工還是現代化的數控加工過程，薄壁零件均屬于加工難度較大的零件種類，對于金屬零件而言，薄壁零件的壁厚僅為1～1.5 mm，即使薄壁部位帶有螺紋(圖1)，其最厚處也僅為3.5～4 mm左右。薄壁零件主要包括殼體類薄壁零件和軸類薄壁零件兩類，殼體類薄壁零件通常采用銑削或冷擠壓沖的加工方式，軸類薄壁零件主要是采用車削的方式進行加工。薄壁零件在生產加工的過程中具有以下難點：一是因待加工零件的壁厚不足，容易因裝夾壓力造成零件形變，進而對加工精度與加工質量產生一定影響；二是在進行車削、銑削等加工的過程中，常會產生大量的熱，薄壁零件極易受熱變形，影響加工質量；三是在機械加工過程中，薄壁零件易產生共振，當振幅過大，表面加工的質量可能明顯降低；四是加工后的零部件可能殘留一定的應力，引起加工完成后拆卸的變形。綜上所述，由于薄壁零件強度不足、剛性弱等問題，加工過程中極易出現誤差，對于裝夾工藝、刀具參數選擇、程序編制等均有很高的要求[1]。

圖1 帶有螺紋的薄壁零件

2 薄壁零件的加工工藝

2.1 編程工藝

在對薄壁零件進行數控編程的過程中，必須要充分考慮薄壁零件可能出現的裝夾變形、振動變形、受熱變形等，同時要使程序滿足批量加工制造的需求。首先，應利用利用MAXON CINEMA 4D、Cimatrone等軟件對三維建模或二維圖紙進行零件特征的掃描和分析，并形成用于數控加工的掃描與分析結果，掃描后的數據用于數控加工的智能供需分配，如車、銑、刨、轉、磨等[2]。由于薄壁零件易變形的特征限制，通常加工時先加工與薄壁垂直的兩個面，然后加工壁厚面。在程序編制的過程中盡量避免長時間、大轉速、大功率的加工，降低加工過程過熱產生的變形影響，同時當零件壁厚不足1.5 cm時，應做到嚴格控制單次走刀加工的吃刀量，減少刀具對薄壁的壓力。此外，為進一步減少加工過程產生的振動，可采用由內向外的擴展編程方式進行依次加工。若薄壁零件的結構復雜或包含有多個薄壁位置或結構，在編程過程中應避免同時對多個薄壁位置或結構進行加工，以免因加工過程的變形、振動等產生相互影響，導致加工質量的降低，程序編制完成后應通過人工對薄壁輪廓、車削或銑削工藝、精度等進行二次或多次校正[3]。

2.2 刀具選擇工藝

當程序的編制和工藝路徑初步確立后，應對各個工序步驟使用的刀具進行嚴格分析與選擇，尤其對于復雜的薄壁零件結構進行加工時，刀具形狀、材料等特征直接影響到加工過程零件的變形量和零件表面的微觀加工質量，也會影響到切削加工的效率。如在筒狀薄壁零件的加工過程中多采用車削刀具進行加工，若車刀的前角偏大，則加工過程中對金屬材料的切削力偏小，同時引起的零件變形和摩擦生熱也偏小，若車刀的前角偏小，在相同條件下加工的切削力會增加，引起的零件變形和摩擦生熱也相應增大，可見，加工過程中刀具的選擇十分重要。

在進行刀具選擇時，常根據以下要點開展。首先，要充分分析加工工藝特征與零件材料特性，以此為依據，對編程過程的刀具選擇進行刀具特征及工藝優化。通過分析薄壁位置的結構和表面光潔度等要求，分析加工吃刀量和效率特征，并與常用刀具的加工特征進行比對[4]。如表1所示，為車削刀具的常用數據及性能特征，可根據實際加工的工序及刀具的性能進行合理選擇。其次，刀具的選擇及變更必須要同時進行加工參數的修正和優化，結合加工工藝和刀具的性能特點對加工流程和相關參數進行調整，修正的重點應集中于吃刀量、進給速度等方面。通常情況下，吃刀量偏大時，若薄壁零件較長，為避免切削力過大造成遠端加工誤差偏大，應適當減小進給速度，但進給速度應適量，若進給速度過小則會導致表面加工精度的降低。

表1 車削刀具的常用數據及性能特征

2.3 其他工藝

除完成主要的工藝設計與刀具選擇外，還有很多細節之處應當進行工藝的細化。首先，對于薄壁的型腔進行銑削加工時，為避免因加工受力不良造成變形量偏大，可適當在程序中對Z軸進行加工過程的分級，使加工的過程分為2～3次完成；其次，注意進刀與退刀的處理，尤其在銑削型腔的過程中，不合理的進刀與退刀常會在進刀與退刀位置處產生明顯痕跡，導致加工質量下降，此時應采取圓弧處理方式進行加工，避免刀具與零件出現突然的接觸或分離；再次，當同一個零件包含多個薄壁結構時，應優先加工裝夾位置遠端的薄壁結構，以降低對后續加工的影響，若加工工藝要求必須先加工裝夾位置近端的薄壁結構時，為避免先加工的薄壁結構產生變形誤差影響，后續的加工應依次降低切削力。

3 加工注意事項

3.1 裝夾過程注意事項

裝夾的方式對于薄壁零件的加工質量影響很大，傳統的裝夾方式盡管快捷和簡單，但通常僅適合于裝夾在剛性較好的零件部位，可選擇如軟爪定位等方式對剛性較好的部位進行裝夾，但該裝夾方式不適用于薄壁位置，會因定位的壓力集中產生明顯變形。對于筒狀薄壁零件，可專門設計仿形的扇形軟爪進行裝夾定位，扇形軟爪的優點在于與零件之間有更大的接觸面積，能顯著降低變形量，但扇形軟爪加工難度大、成本高，不適宜小批量或定制生產[5]。對于筒類零件也可采用剛性芯軸的裝夾方式，其優勢在于裝夾的同心度高，零件不受裝夾變形的影響，但也應注意零件的內孔易被劃傷，該定位方式只適合于裝夾位置不被加工或精度不高的零件。因此，加工過程應根據零件的形狀、工藝需求合理選擇裝夾方式，并盡量避免裝夾不當對零件質量造成的影響。

3.2 加工方式注意事項

由于薄壁零件的特殊性，應注意不同的加工方式對于零件的加工質量會產生顯著影響。加工方式的注意事項主要包括以下三方面。一是粗精加工的合理設計。機械加工的工序均是先粗加工而后精加工，但是對于薄壁零件的加工而言，由于粗加工過程吃刀量大、加工速度快，會產生大量的熱，極易出現零件的應力集中和變形，因此，應考慮在粗加工之后進行適當的熱處理，或在粗加工與精加工之間設計半精加工，預先修正粗加工過程造成的零件變形影響，為精加工創造有利條件。二是內外部加工順序的合理設計。對于薄壁零件而言，通常內部結構的加工難度大于外部結構，例如筒狀零件的車削，內壁車削通常易產生更大的變形量，因此應注意先完成內部的加工，再進行外部的加工，以此減小加工過程的變形量，增加加工精度[6]。三是裝夾與加工的合理配合。要根據零件的加工制造工序對裝夾方式進行合理化匹配，盡量保證在一次裝夾過程中完成對零件的所有加工工序，不能利用一次裝夾完成加工時，應考慮利用最少的裝夾次數完成零件的加工。

3.3 誤差補償注意事項

數控機床加工零部件的一大優勢就是能夠在自動完成機械加工的同時，還具備豐富的擴展功能，誤差補償就是其中很實用的一項功能。但是在實際的生產加工過程中，誤差補償的技術應用很容易被忽視。在對薄壁零件進行機械加工的過程中，技術人員應當重視誤差補償的合理應用，一方面利用仿真模擬對變形誤差進行補償，如通過三維建模分析和切削力分析對切削參數進行修正，對實際加工過程產生的變形誤差進行補償；另一方面，利用誤差補償技術深度分析零件材料性能、多軸聯合加工時的相互影響等因素，消除多工序同時加工產生的相互影響。此外，還可通過誤差補償技術分析切削機理，明確切削參數與切削力之間的關系，自主修正加工過程殘余應力引起的誤差[7]。

4 結語

近年來，隨著機械產品的優化升級，薄壁零件的生產量和應用范圍逐漸增多，為進一步提升薄壁零件的加工精度，數控技術的應用必不可少，技術人員在使用數控機床加工薄壁零件的過程中，要重視編程工藝、刀具選擇、裝夾工藝的合理性，盡量避免因擠壓、振動、受熱產生的變形影響薄壁零件的加工質量，從多方面進行考慮，提升薄壁零件的加工品質。