薄壁零件數控加工工藝質量改進方法綜合分析

薄壁零件是一種金屬屬性的零件，其壁厚通常不超過 1mm ，其特點是重量較輕，材料使用較少，而且結構也比較緊湊。薄壁零件的用途廣泛，特別是在工業上。然而，在實際薄壁零件數控加工中，由于刀具和加工工藝等因素的影響，對其數控加工的質量產生較大的影響，使產品不能滿足市場要求，造成各種資源的浪費。因此，需要對薄壁零件數控加工工藝質量進行改進。

一、薄壁零件數控加工工藝質量改進中存在的問題

(一)加工精度提高問題

在薄壁零件數控加工中，零件裝夾是提高其加工工藝質量的關鍵環節。零件壁薄，在夾緊力的作用下，在加工切削過程中容易出現薄厚不一的情況，而彈性較差，零件外形難以自行恢復。若零部件裝夾位置不過關，會產生脫夾的問題，影響零件加工精度。另外，在對零件進行加工時要對裝夾具和夾緊裝置本身的基本情況進行嚴格控制，保證裝夾的剛度、加工方向與應力作用的分析符合規范，否則，在隨后的薄壁零件數控加工中，很可能會發生薄壁零件變形，從而降低加工質量。

（二)刀具切削角度改善問題

在切削過程中，刀具與零件的高速摩擦會形成切削熱，在這種熱的綜合影響下，很容易發生彈性變形、振動、塑性變形，所以，在選擇工具時要綜合考慮加工個面的精度要求、形狀特征等方面的因素。另外，在加工過程中要根據加工余量的差異選用相應的工具，以降低切削力，提高工作效率，減少零件變形。

一般情況下，刀具切削角度、進給速度等會對刀具的切削角度改變造成影響。在此過程中，如果在選擇時，刀具前后角發生改變，則將直接導致在加工中發生變形。當后角變小問題發生時，會導致較大的摩擦問題，對薄壁零件的切削效果造成影響。通常情況下，在保證刀片的強度的前提下選取更大的前角，這樣既能把刀尖打磨得更銳利，又能減小切割變形，讓切屑順暢地排出，減小切削力，降低切削溫度。在粗銑削過程中，因為進給大的切削負荷較重和發熱量較高，需要良好的冷卻環境，所以，要選用后角較小的刀面。在精銑削過程中，為了減少切削與被切削面之間的摩擦力，減少切削時的彈性變形，要選用后角較大的刀面。為了保證銑削過程的平穩性，減小銑削時的切削力，在加工過程中，要盡量選取較大的螺桿角度，減少銑削力，有利于冷卻系統的散熱，降低加工區域的平均溫度。另外，在數控加工過程中，如果薄壁零件的切削角度出現問題，將會嚴重影響數控加工的精度。基于以上研究，需要進一步提高數控加工工藝質量，才能有效地實現對切削力的控制。

（三）走刀方式運用問題

在薄壁零件的數控加工中，走刀選擇是非常重要的環節。由于零件質地輕薄，切削過程中由于徑向力的作用，會引起零件的受熱變形，從而使零件的尺寸不準確。特別是在零件數控加工過程中，需要對走刀及其軌跡進行合理的配置和修正，保證其在特定的生產過程中刀具可以連續、嚴格地根據產品生產要求執行走刀加工。另外，在一些生產車間，沒有對走刀模式進行有效的設計和分析，對新的走刀模式的研發工作沒有給予足夠的關注，這嚴重影響后期薄壁零件的數控加工工藝質量2]。

二、薄壁零件數控加工工藝質量改進方法

（一）對裝夾方案進行優化

隨著薄壁零件的數控加工工藝質量提升已成為加工行業轉型升級的重要環節。特別是在精密儀器等領域，薄壁零件的加工精度和質量的提高，直接影響著整個結構的綜合性能及使用壽命。為了改善零件的加工工藝質量，對夾具進行優化是一項非常重要的工作。一是盡量使設計基準、技術基準和程序設計基準達到一致；二是使零件的各道工序盡可能地集中化，從而減小裝夾的數量，使零件一次裝夾就可以完成所有零件的切削；三是克服人工調試耗時、占用機床人力調試周期較大的問題；四是夾緊力的施加位置應在零件具有良好剛度的位置。傳統的薄壁零件由于壁薄和剛性差，在切削力的作用下容易發生變形，從而影響加工精度。因此，采用先進的裝夾工藝是解決該問題的關鍵。

比如，在機械加工中采用輔助支持裝置，可以大大提高零件加工的穩定性。利用零件特定外形設計，對支撐點進行了準確的計算，使支撐點的受力均勻分布，減少其變形。采用有限元法，對薄壁零件成形過程中的受力情況進行仿真預測，并采取優化裝夾方案。通過對各裝夾持點的夾持力大小及方向進行準確計算，保證零件在加工過程中的穩定性，減少了由于夾持力不足而造成的變形。

(二)切削參數優化

從零件的特性和實際生產情況來看，采用從外側到內側的環形刀具進行銑削，可以獲得較好的切削效果和較低的應力水平。從外側到內側的環形刀具路徑加工出的刀具強化度、加工表面粗糙度、加工后的殘余厚度都比較低。在精整過程中，以小進深、快進刀為準則，利用數控高速加工技術，對精整過程進行精密切削，并對精整余量進行適當的估算，并選用合適的工具以減小零件的大余量裁切，減小應力變形。

針對高效加工方面，被加工材料、切削用量與切削刀具是三個主要因素。這些因素直接影響刀具的加工時間、加工質量及刀具耐用度。經濟與高效的加工方法需要對加工工藝參數進行適當的選擇。編程人員在對切削量進行確定時要依據工具的耐用性及設備使用說明來決定各步驟所需的切削參數。還可以根據生產實踐的經驗采用類比法來決定加工參數。在選擇切削參數時要確保刀具能夠完成零件加工，或者確保刀具的耐用度不少于一個工作班。在保證刀具剛性的前提下盡量使背刀量與零件的切削余量相等，降低刀具的走刀頻率，達到提高切削效率的目的。對具有高質量與高精度的零件，應預留一定的精加工余量，采用CNC加工時，其精加工余量要小于普通機床。

近年來，在制造領域，改善薄壁零件的加工工藝質量，必須對其切削參數進行優化。對切削用量進行更精確的調節，實現最優的加工效果。合理增加刀具前、后角是實現最佳切削用量的重要手段。當前傾角增加時，刀具的接觸面會變小，切削力也會相應地下降，這樣就可以減少切削變形，有利于抑制積屑瘤的產生，從而改善加工工藝質量。增加切削前角可以增加切削工具的抗磨損性能，延長切削壽命。利用高速切削等方法，對薄壁零件進行數控加工，可以提升加工效率。高速切削有效地降低零件及工具在切削時的變形，改善加工精度與表面質量。對高速切削速率等參數精確控制，達到小切削力與高速切削的優化。

（三)對加工路徑進行改進

加工路徑是保證產品質量和效率的重要因素，通常要按照先主后次、基準面先行的原理，采用小進給量的高速切削方式，這樣可以減少切削過程中所承受切削力，并將大量切削熱通過高速拋出的碎屑達到降溫和減少熱變形的目的。與常規加工相比，CNC加工中心提升的高速度切削，可以免去其他工序如半精加工等工序的工時，進一步減少零件的制造周期，提升生產效率。薄壁零件數控加工工藝質量提升已成為加工行業轉型升級的重要環節。其中，工藝路線優化是提高生產效率與降低成本的重要手段。常規薄壁零件通常采用逐層切削或分步切削的方法，不僅耗時長，而且易造成刀具磨損加劇，影響加工精度與質量。而采用一次切削的方法，通過對刀位軌跡的合理規劃，實現對大量多余金屬的均勻去除，可以有效解決以上問題。

例如，某家航空發動機加工薄壁葉片采用一次性粗加工技術。利用智能對零件的幾何特性進行深度學習，對加工路徑進行改進。通過應用，該切削方式可以減少 30% 的工具耗損率，并且可以節省 25% 的加工時間。同時，通過減少刀具更換及軌跡調節，使零件的加工精度提高 15% 以上，從而使零件的總體質量及一致性得到明顯改善。優化切削軌跡是指在保證零件幾何精度的同時，盡量減小刀具的應力改變，減少刀具磨損，并提高刀具的使用壽命。比如，使用曲線過渡，避免突然轉向，并合理地計劃進給速度。利用計算機輔助制造（ComputerAidedManufac-turing，CAM)軟件，將AI算法與CAM軟件相結合，實現對薄壁零件加工路徑的優化。該軟件能依據材料的硬度和零件外形等，對刀具軌跡進行自動化調節，保證刀具的受力均勻。應用該方法可以使工具使用壽命提高 40% ，而加工表面粗糙度下降 20% ，從而提高了生產效率]。

(四)輔助支撐和冷卻

薄壁零件的數控加工工藝質量提升，還需要對傳統加工工藝進行精細改造，而輔助支承和冷卻方式的優化是提高其加工精度和效率的重要手段。薄壁零件由于其自身的結構特性，在切削時容易產生較大的變形，從而對零件的尺寸精度及表面質量產生較大的影響。要解決這一問題，必須在支架內填充填料。比如，將低熔點易剝離的物質，如石蠟等注射到薄壁零件內，可以有效提高零件的剛度，抵御切削力導致的變形。

例如，某航空發動機的薄壁葉片，其內部支承材料為石蠟。通過對充填量和定位的準確計算，使高速銑削時葉片的變形減少 30% 。在加工結束后，采用加熱設備將石蠟熔化排放，從而保證葉片的最終尺寸精度為 ±0.02mm ，較無支承材料時的質量提高了一倍。切削時的高溫是造成零件熱變形和刀具磨損加劇的重要因素。因此，通過合理的冷卻方式，可以對切削面溫度進行有效的調控，提高加工工藝質量。在現代化數控機床中，常使用高氣壓的冷卻方式，如通過噴頭將冷卻液準確地噴入零件的接觸點，帶走切削熱，并通過對冷卻的壓力與流量進行動態調節，實現最優的冷卻效果。比如，鋁合金薄壁零件采用冷卻技術，實現 20±2^°C 的冷卻，使其熱變形降低45% ，工具使用壽命提高 25% 。改進后的冷卻效果可以使加工周期縮短 10% ，大大提高了加工效率，降低了加工成本[4。

(五）工藝優化

薄壁零件的數控加工工藝質量提升方式發生了革命性變化，利用算法技術進行工藝優化，可以提高其加工效率和精度。該方法利用高級算法，結合大數據分析等技術，可以對工藝加工過程進行智能監測和動態調節。采用高精度傳感技術和人工智能監測技術，實現對機床振動頻率、溫度等參數的實時采集。將采集的加工數據實時傳送至邊緣計算平臺，通過智能算法對加工過程進行快速分析和處理，進而對加工工藝進行動態優化。比如，在鋁合金薄壁零件加工中，通過對切削力的實時反饋，實現對刀具進給速度和切削用量的動態調節，在保證高效率的前提下減少由于工藝參數不合理而造成的零件變形和損傷。

比如，某家汽車企業在對薄壁零件進行實時監測和優化后，其精度提高了 20% ，而生產率提高了15% 。還可以根據零件的幾何特性、機床特性，對加工軌跡進行規劃。利用深度學習算法對切削數據進行學習，在各種工況下合理選擇刀具路徑，并有效地規避傳統的刀具路徑選擇中的碰撞等問題。比如，在曲面薄壁零件加工中，利用AI算法生成的軌跡較手工設計軌跡可以減少 30% 的無效移動，大大縮短了加工時間，同時也大大減少了刀具損耗。通過對切削時間量和冷卻狀態等數據的分析，可以對其進行精確的預測，并對其將來的磨損趨勢進行預測。在檢測刀具接近“臨界磨損\"時，能及時提示操作者進行相應的更換，有效地降低刀具的磨損。同時，還可以通過對表面質量的預測，預先調整工藝參數或者選用適合的刀具，從而保證零件質量符合相關要求。

結語

在薄壁零件加工中，其工藝質量受多種因素的影響。因此，需要對其進行科學分析和判斷，采取有效的改進方法。技術人員要對薄壁零件加工工藝進行優化和改進，使其加工工藝精度和質量得到進一步的提升，降低加工成本，提升加工效率，從而促進數控加工技術的發展。

參考文獻：

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[2]賀朝偉.數控加工中薄壁零件加工工藝分析.中國機械，2023(16):49-52.

[3]鐵正，杜宏宇.數控車床加工薄壁零件的工藝研究[].南方農機，2024，55(19):144-147.

[4]李昊，王威，韓朝陽，孫占濤.薄壁零件數控加工工藝的改進優化分析J].集成電路應用，2024，41(02):82-83.

[5]滕天馨，劉彩軍，孫偉，張賀東，李磊.薄壁零件數控加工工藝質量問題及改進策略分析.中國設備工程，2024(15):123-125.

作者簡介：董喆（1984.05—），男，漢族，河南蘭考人，本科，數控高級技師，三級技能專家，研究方向：數控大型薄壁零件制造與加工。