薄壁零件數控加工工藝質量改進方法

陳 祥

(江蘇省高淳中等專業學校,南京 211300)

0 引言

分析薄壁零件數控加工工藝發現,很多因素會對零件尺寸、精度及質量產生影響(如裝夾機構、切削工藝、走刀方式、工藝路線等)。為提高薄壁零件的加工精度,確保零件整體質量達標,應在分析影響因素的基礎上采取有效的方法及措施,對加工工藝進行優化改進。薄壁零件是由薄型板材與加強筋條構成的輕量化金屬材料結構零件,壁厚不超過1 mm,且壁厚與內徑曲率半徑比值不超過5%。薄壁零件類型主要有完整結構件、板類零件、圓筒形等,具有用料少、質量輕、體積小、結構緊湊、實用性強等優點,在工業制造領域得到了廣泛的應用。大批量生產薄壁材料可采用數控加工技術,以提高加工精度及生產效率。但其存在剛性弱、強度低、抗變形能力差等物理力學性能缺陷。如果薄壁零件出現變形,將導致無法正常裝配,降低使用價值,故在薄壁材料加工過程中,需通過試驗確定工件裝夾、刀具幾何參數、切削工藝、程序編制、環境溫度及零件材料初始殘余應力等參數,消除引發零件變形的不利因素,保證加工精度[1]。

1 影響薄壁零件數控加工工藝質量的因素

1.1 裝夾固定

金屬材料剛度是影響薄壁零件加工精度的重要因素,加工過程中要綜合考慮零件受力與應力變形情況,將夾具夾在特定的位置,通過固定零件來避免發生形變。但在數控加工中,僅采用裝夾方式固定零件無法徹底解決變形問題,故可采用增厚材料涂層的方式增強零件裝夾后的穩固性,加工后再清除涂層。但這種方式會降低加工精度,尤其是在加工外型復雜的薄壁零件時,采用裝夾方式固定零件材料容易出現滑動,導致薄壁零件受力不均勻。

1.2 切削參數

數控加工薄壁零件時,切削參數設定對零件切削精度影響較大,適當改變切削前后角度能夠減小零件形變量,降低切削過程產生的摩擦力,將零件尺寸誤差控制在允許值范圍內,達到加工精度要求。切削參數包括切削速度、進刀速度及切割寬度。切削不同金屬材料零件需設定不同的切削參數,根據多次試驗確定摩擦力大小,掌握材料加工變形情況,對數控機床切削加工工藝進行改進,以滿足薄壁零件精度控制要求。

1.3 走刀方式

傳統的薄壁零件加工多以粗刀一次性加工為主,通過后期加工修正偏差。這種加工方式限制了走刀路徑,難以滿足復雜結構零件的加工要求,無法精確控制零件精細部分的尺寸。粗刀一次性加工會增加后期修正的難度,提高加工成本,影響生產效率。為解決這一問題,需在數控加工中改進走刀方式及路徑選擇,在零件加工未發生變形時調整走刀,減少后期修復次數[2]。

1.4 工序工藝

數控加工工藝是提高薄壁零件精度的重要保障,加工過程中要了解金屬材料性能及變形規律,綜合考慮變形參數,優化設計加工工序與工藝路線。目前,機床加工大多沿用傳統的工藝路線,由于長期未更新工藝流程,很少引入新技術,故而難以滿足高精尖薄壁零件加工需求,導致加工零件存在著質量參差不齊的情況,阻礙了加工制造業的發展。

2 數控加工工藝質量的改進方法

2.1 提升零件裝夾工藝

裝夾對薄壁零件數控加工工藝質量有一定的影響,為確保加工質量達標,應采取有效的方法及措施,對裝夾進行優化改進。加大薄壁零件裝夾生產管理力度,防止因操作失誤引發質量問題,全面優化各項技術參數,控制裝夾質量,從而滿足薄壁零件數控加工生產要求,具體的優化改進方法如下:

優化裝夾結構。采用數控機床加工薄壁零件時,在主軸回轉的帶動下,裝夾會隨之一起回轉,為使裝夾重心在整個加工過程中與主軸端部緊貼,要對重心加以控制,使慣性力與回轉力矩的大小達到數控加工精度要求。

控制懸臂長度。研究結果表明,數控機床主軸的懸伸長度與剛度成反比,即懸伸越短剛度越高,反之則越低。薄壁零件數控加工中,懸臂長度應取較小值,以保證其剛度。實際生產中,可按數控加工精度要求控制機床主軸的懸臂長度。例如:加工薄壁套時,管外徑D=63 mm,主軸懸臂長度L與D的比值應小于1.25,由此得到的懸臂長度剛度最高[3]。

平穩連接。裝夾與主控機床之間的連接是否平穩,直接關系著薄壁零件加工質量。優化改進過程中,應盡可能消除影響二者穩定連接的因素,確保零件加工精度達標。

增強裝夾機構的性能。應遵循安全性、耐久性、可靠性等原則,合理選擇裝夾機構,在確保其剛度及強度的前提下增強其夾緊力,避免加工過程中發生脫夾等問題。耐久性高的裝夾機構,其變形損壞幾率相對較低,使用壽命較長。

2.2 改進切削工藝

研究表明,薄壁零件加工后的變形量主要與切削工藝有關,可對切削工藝進行優化改進,以達到控制變形的目的,具體措施如下:

合理確定軸向切深。數控切削加工中,切削力的大小主要與切削深度有關,二者之間成正比關系,即切削深度增大切削力隨之增大。應以確保切削效率為基礎,使切削深度達到最小,從而減小刀具的切削力,降低零件變形量,使其達到質量標準的允許范圍[4]。

控制進給速度。進給量是影響薄壁零件加工精度的主要因素,若是每齒進給量范圍合適,則在該范圍內的進給量數值變化不會對加工尺寸精度造成影響,且每齒進給量對切削力的影響與對薄壁零件尺寸變化的影響趨同。薄壁零件的材質以鋁合金居多,切削加工時產生的熱量會引起材料的化學變化,從而生成一種新的物質,附著于薄壁零件表面的硬化層,當每齒進給量較小時,會導致切削過程一直在硬化層進行,導致切削力增大,剪切滑移中的切削會被擠壓所代替,過大的切削熱量會對刀具的使用壽命造成不利影響,因此要嚴格控制進給量,令其保持在0.22 mm/z左右,這樣產生的殘余應力最低,對薄壁零件加工質量的影響最小。

優選走刀路徑。切削加工時,刀具路徑對加工精度有一定的影響。為使該影響降至最低,應對走到路徑進行優選。編制切削工藝時,應以薄壁零件結構作為走刀路徑選擇的依據,按照如下方式選取刀具路線:保證薄壁零件剛度最弱部位受力最小,防止出現讓刀的情況,確保加工精度達標。實踐表明,對稱加工對預防切削變形的效果較好,可將對稱加工作為首選,如圖1所示。

圖1 走刀路徑中的對稱加工

刀具通常會在零件表面做快速移動,因此進退刀方式是影響零件加工質量、刀具磨損程度及操作安全的關鍵因素。應對刀具進退刀方式進行優化,提高加工質量,減輕刀具磨損,延長使用壽命,確保操作安全。數控加工薄壁零件輪廓及側壁時有兩種進刀方式,即線性和圓弧。數控機床軟件程序通常會將進刀方式選為直線,退刀方式選為圓弧,加工后的零件表面可見清晰的刀痕,如圖2所示。優化后,將進刀方式改為圓弧,零件表面質量可得到大幅度提升,如圖3所示。與線性進刀相比,在圓弧進刀方式下,刀具的運行軌跡更加順暢,在提高零件表面質量的同時,刀具得到了一定程度的保護,使用壽命進一步延長。

圖3 進刀方式優化后的加工效果

薄壁零件型腔結構銑削常用的加工方法為行切法與環切法,采用這兩種方法加工能夠在不傷輪廓、不留死角的情況下完成整個內腔面積的切削。但行切法加工會在進給起止點處留下未切掉的金屬,對零件表面質量造成影響。環切法的加工軌跡要比行切法更加平穩,粗糙度低。為確保零件切削過程的連續、平穩,避免切削力突變,可將環刀法作為首選,刀具移動方式調整為圓弧移刀[5]。

加工過程中對高度的控制需采用平面銑削的方式,其特點是刀具軌跡簡單,便于操作。平面銑刀最佳直徑為切削寬度的1.5倍,銑削零件平面時,刀具有兩種切削路徑,即單向和往復,其中往復銑削刀具走S形路線,整個加工過程刀具只會抬起一次,減少了走空刀的時間,銑削用時少。但從加工后的零件表面來看,光潔度略低于單向銑削方式。單向銑削能夠獲得表面質量較高的零件,但其每次走刀都要抬刀,導致銑削過程用時較長,生產效率降低。為實現優化的目標,可將這兩種方式結合運用,達到最優。

2.3 改進工藝方案

薄壁零件數控加工對精度要求較高,為提高零件加工精度,應對工藝方案進行優化改進,具體如下:薄壁零件要在數控銑床上對外表面進行加工,根據設計要求完成鉆孔。對零件端面進行粗加工,利用熱處理中的退火工藝消除零件應力,再轉入精銑工序。防止新的加工應力引起零件變形,粗加工與精加工應開展銑削,通過反復消除,使零件中的殘余應力得到充分釋放,消除刀具參數、載荷布置等因素對零件加工質量的影響,以得到質量達標、精度合格的薄壁零件[6]。

3 結束語

數控加工是薄壁零件加工的主要生產方式,故加工工藝是影響零件質量及精度的關鍵因素。為滿足應用需求,應分析影響薄壁零件加工工藝質量的因素,采取有效方法及措施,對加工工藝進行優化改進,令薄壁零件整體質量達到標準要求。