数控铣削薄壁零件精密核心技术研究

张杰华

摘 要：以数控铣削薄壁零件过程中的误差起因为研究基础，从薄壁零件的加工的角度入手，探讨了数控铣削薄壁零件加工过程中所应用的工艺方法、走刀方式、切削参数和装夹类型及其数控铣削薄壁零件的质量和工作效率的影响。除此之外，还结合实例对可以提升数控铣削薄壁零件工作效率和工艺方法的措施进行了总结。

关键词：数控铣削；薄壁零件几何误差；变形概率

中图分类号：TG506 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.140

1 薄壁零件加工的质量概况

在工件工艺体系中所进行的加工称作切削加工。在薄壁零件的切削加工期间，对零件加工精度产生了影响，主要是因所用工艺体系的几何误差、零件的受力（热）变形、振动变形等引起的。由于薄壁零件有强韧度低的特性，因此，在进行薄壁零件的数控铣削加工过程中，加工工件的变形会对加工工作造成较大的影响。为了尽可能地提升薄壁零件的加工精度，确保薄壁零件的加工质量，需要最大限度地降低加工前、后的零件变形概率。

2 薄壁零件的加工难点

2.1 精加工困难

由于所要加工的零件普遍存在外形较大的特点，所以，在加工时工件会随着夹紧力的变大产生一定程度的变形。

2.2 刚度低，工艺差

薄壁零件的壁都很脆弱，整体刚度较低，在加工过程中易变形。同时，在加工的过程中，由于受到工件内残余应力的影响，很难保证工件的尺寸、形状等符合要求。

2.3 零件的结构比较复杂

零件侧壁和腹板中间存在倒角，侧壁之间也有2种倒角，在加工过程中易发生加工质量较差的现象。

3 加工工艺方案

众所周知，到目前为止数控铣削加工技术的重点是无图化生产、实现单件工件高精度加工、提高少人或无人化加工精度，这就要求数控铣削机床在速度、高速动态精度、刚度、稳定性、可靠性、网络化成都等方面均具有相应的控制系统。除此之外，模具三维型面加工要求机床有较好的动态性能，我国部分公司已经引进了高速铣床，目前，已投入生产。而我国的机床厂也相继研发出了一些准高速的铣床，正进行着高速加工机床研究。

数控技术指的是将数字、文字以及符号组成的一种数字指令，以实现一台或多台机械设备动作控制的高新技术。其所控制的一般是位置、角度、速度等机械量或与机械能量流向相关的开关量。

由于条件有限，机床在加工时不能使用效果最好的铣削方法，只能在现有条件下进行薄壁零件的数控铣削加工。为了提升薄壁零件的刚度，提高零件的加工质量，在粗加工时，要预留出大于常规数量的加工余量，保证单边留量为2 mm。同时，使用热处理等工序来消耗工件内的残余应力、切削力和切削热引起的应力；粗加工与精加工分开进行，避免加工过程中零件发生变形。

数控铣削薄壁零件的加工工艺为粗铣零件→粗铣凹槽→预留单边→热处理→半精铣零件→保证留量均匀→精加工侧壁和腹板各个部位以及各种孔。

4 数控铣削薄壁零件的变形控制

4.1 提升薄壁零件的强韧程度

提升薄壁零件的强韧程度可以有效降低工件在装夹期间以及后期变形的可能性，还可以适当增加零件壁的厚度，从而起到提升工件强韧度的作用。为了提升薄壁零件的强韧程度，可以在加工时运用加固加工的方法。所谓“加固”，就是在待加工件的内部添加一些比较容易去除的物质，从而提升工件的强韧程度。比如，可以在代加工件的内部浇筑一些石蜡、石膏或溶沸点较低的合金。但在加工时，一定要选择合适的冷却液，避免冷却液溶解工件内的填充物。薄壁零件的强韧程度与工件自

身的性质结構以及加工过程中的定位夹紧方法、装夹的位置、装夹的夹紧力有关。增大工件与工装之间的接触面积可提高工件接触面的强韧程度。除此之外，对于提升工件工艺的强韧程度，除了可适当增加工件与工装之间接触面的坚硬程度，还可以通过使用一些弹性较高的模量材料实现。

4.2 规划合理的工艺流程

具体的工艺特点如表1所示。

在对薄壁零件进行数控铣削加工时，装夹的加紧力度一定要依照最大的切削量确定。这样做不仅能确保在任何切削力做工的情况下，都能够对薄壁零件稳定加工；同时，还可以降低零件加工过程中的变形机率。按照薄壁零件的加工精度要求看，对于加工精度比较高的薄壁零件，尤其是去除大量用料的状况下，应采用“先粗后精”或“粗-精-精”的加工方法。

在进行粗加工时，要选用的夹紧力、切削量均较大，粗加工在一定程度上为后期的精加工作了铺垫。为了更好地提升薄壁零件的稳定性，要在粗加工和精加工的间歇过程中尽量消除器械的残余应力。在精加工时，为了降低工件变形的可能性，则尽可能减小切削力。除此之外，在薄壁零件精加工时，最好使用高速的数控铣削方法。

4.3 确定合理的加工顺序和走刀方案

合理的加工顺序不仅有利于降低薄壁零件在加工过程中变形的概率，保证薄壁零件的加工质量，还有利于加工人员良好控制工件装夹时坚韧强度的变化。在选择薄壁零件的加工顺序时遵循的原则是在工件便利、选位可靠、装夹夹紧力符合要求的情况下，尽量减少用料，降低工件强韧度减弱的速度。在整个切削过程中，只有保证这两者处于最佳状态，才可能降低薄壁零件加工过程中的变形概率。

在薄壁零件加工的过程中，走刀方法对薄壁零件的加工功率、工件的变形概率有很大的影响。不同的走刀方法对加工过程中残余应力的释放顺序有一定的影响。由于受到加工过程中切削力及其产生的热量的影响，会产生一些新的应力，而不同路径的走刀方法则会使那些新产生的应力和工件中原有的应力结合，最终导致工件产生不同程度的变形。

在选择加工路径时，应选择可以对称切削毛坯的路径，采用分层分布切削的方法，并加大切削量，做到一次性大量切除。在对腹板进行加工时，应使用环切的走刀方法。如果腹板的面积较大，则可以使用分步环切的走刀方法。除此之外，在数控铣削薄壁零件的过程中，通常使用顺铣的加工方法和平滑的走刀路径，以减少路径中的需要急速转弯的路段。在一些转角处可安装过渡圆弧，从而相应地减缓走刀速度。在走刀时，应注意使刀具在水平方向切削工件，平稳进行，避免因切削力度过大或其他人为因素导致刀具损坏。

4.4 优化参数

在数控铣削薄壁零件的加工中对切削参数的选择关系着切削力和切削热量。在确定切削参数时，要综合考虑刀具的用料、工件的用料、机床的能力等因素。在数控铣削薄壁零件加工的过程中，铣削量的大小与工件的加工功率、刀具的使用年限、作工的费用以及成件质量密切相关。在加工过程中，合理的铣刀每齿进给量是决定成件质量、提升工作效率、降低刀具磨损程度的关键所在。切削力度大小的改变可通过调节铣刀每齿进给量来实现。在数控铣削薄壁零件的过程中，各种切削参数需要满足以下各种关系式：

式（1）（2）（3）中：Vf为进给速度，mm/min；n为主轴的转速，r/min；z为铣刀的齿数；fz为铣刀每齿进给量，mm/齿；V为切削速度，m/min；D刀具直径，mm；η为材料去除比例，mm3/min；ap为铣削深度，mm；ae为铣削宽度，mm。

一般而言，铣刀的每齿进给量是由薄壁零件的加工质量要求、工件和刀具用料确定的。在对工件进行粗加工时，铣刀的每齿进给量可选得大一些，这样可以提供高加工的工作效率。此外，在进行粗加工时，选用的主轴转动速度一般较慢，而选用刀具的尺寸较大，这样也可以提升加工效率。

在对薄壁零件进行精加工时，为了提高工件的加工质量，一定要选择合适的铣刀每齿进给量。选用比较快的主轴转动速度以及直径比较小的刀具工艺参数等。只有这样，才能最大限度地确保加工质量。在确定主轴转动速度时，还要要考虑机床的承受能力、工件的用料、刀具的等因素对主轴转动速度的影响。影响刀具使用年限的主要因素是加工时的切削速度，比如，速度过快的切削会大大缩短刀具的使用年限。加工时的铣刀每齿进给速度应与切削速度完美结合，过快的进给速度会导致加工质量降低，过慢的进给速度则会降低加工效率。此外，速度过快会加剧刀面损坏，降低加工质量。

4.5 优化装夹策略

首先，要确定工件的定位方式、加紧方式以及合理的定位支承面。其中，定位支承面要选择那些工件比较大的曲面（或平面）。与此同时，还要使工装与工件之间的定位接触面尽量扩大。适当提高工件定位面处的加工精度，增大工件与工装之间的接触面积，提升接触面的强韧程度，杜绝逆力切削现象的发生。

对于那些强韧程度比较低的薄壁零件，在定位时一般使用超定位的方法，尤其是在强韧程度相对较弱的区域，更要加大支撑力度，提升工件的工艺强度，降低工件加工过程中变形的概率。在使用超定位方法时，需要注意的是，要使各个定位面与超定位之间有足够的匹配精度，否则将会定位失败，甚至造成零件损坏。

在确保零件加工过程中可靠夹紧符合标准的情况下，尽可能地选用力度较小、分布均匀的夹紧力，并增加夹紧点的数量、加大夹紧力的作用面。在工件强韧程度比较好的区域，应施用夹紧力，使夹紧力的方向与定位面相互垂直。对于形状较为规则的零件，要使用夹具和支撑均匀分布的加工方案。

综上所述，在工件加工的过程中，如果已经确定了加紧方式，做好了定位，则要将“遗传”与“有限元”方法结合起来，以加工时最大的形变为目标函数，构建相应的优化模型，并以此模型为基础对工件进行加工，将工件夹紧点的位置和夹紧力的大小实现同步优化。

5 结束语

综上所述，为了确保数控铣削薄壁零件的加工质量，相关工作人员在加工时，要尽可能地降低零件变形的可能性，减少初始残余应力。同时，还要注意对切削参数、切削工艺的选择，并选择合理的加工计划，从而更好地提升薄壁零件的强度。其中，在选择切削参数时，要考虑相关的切削功率、切削深浅和宽窄等因素对加工的影响。除此之外，工作人员还要结合实际的加工要求，确定好装夹工艺，以降低装夹变形、加工期间变形的概率，从而提升成件质量。

参考文献

[1]高翔，王勇.薄壁零件精密数控铣削关键技术研究[J].機床与液压，2009（09）.

[2]韦江波.单一薄壁零件的数控铣削[J].装备制造技术，2011（03）.

〔编辑：张思楠〕