曲面薄壁类铣削工艺研究

陈金伟

（航天长征火箭技术有限公司，北京 100076）

曲面薄壁类铣削工艺研究

陈金伟

（航天长征火箭技术有限公司，北京 100076）

曲面薄壁类铣削是一种常用的工艺方法，在进行加工时对夹具、机床等有较高的要求，在加工过程极易发生刀具切削变形。本文以曲面薄壁铣削加工过程为研究对象，介绍了其数控加工工艺流程以及铣削变形的补偿方法。

曲面薄壁；铣削；工艺

现在航空航天领域面临着激烈的国际竞争，需要产品具有较高的性能。薄壁结构零件例如飞机支架零件质量较轻，产品的结构强度较高，具有较好的性能，由于以上优点，薄壁结构零件获得了广泛的应用，铣削工艺也获得了提升。

曲面薄壁类铣削多用于制造注塑和压铸类结构零件，形成的产品呈现薄片状，其主要特点是由窄槽和薄片组成，这些薄片以及窄槽本身具有一定的厚度，而且整体的排列比较均匀，并且呈现出曲面的形状，采用红铜来进行曲面薄壁的加工，从而使其具有相对较高的延展性，如果铣削曲面薄壁的顶端会发生变形和弯曲，需要精确的控制切削用量，要对加工工艺进行严格的掌控，编程参数的设置也要非常精确。

许多发达制造国家非常重视薄壁件的变形，这些国家利用薄壁件的结构特点进行有限元分析，利用变形参数进行误差补偿，这样保证薄壁件具有较高的加工精度。有的国家为了解决薄壁件的变形问题会采用高速铣削工艺，对于提高加工效率成效比较显著。曲面薄壁件的铣削工艺是一个非常复杂的金属切削工艺，对于刀具、机床、工艺方案、切削量等的要求较高，所以必须要进行理论分析和试验以建立一个铣削模型，用有限元软件进行变形分析并进行补偿，从而提高薄壁件的加工精度。

1 曲面薄壁类铣削工艺流程

某模具厂加工了一例曲面薄壁类产品，其形状描述如下：产品最高点与底座平面的距离为22mm，薄片的厚度为1．5mm，其顶部为曲面形状，要使用球形刀进行精细化加工，薄片之间的距离为5mm，由于是窄槽，薄片的外形要用直径较小的刀具来进行加工。其铣削工艺流程如下。

1.1 外形加工

该曲面薄壁件要加工正面，先将平口钳校正好，再夹住毛坯铜料，然后开始分中对刀加工，对刀加工完成后进行平面挖槽，将薄片周围的材料除去。

加工时使用进口超微粒钨钢刀，这种刀具的磨损量非常微小，粗加工完成后不用换刀，继续采用轮廓加工方法对外形和下部进行精加工。

1.2 曲面薄壁的粗铣

用曲面粗加工形式来粗铣削曲面，为了节省铣削时间，使用直径为16mm的铣刀，转速保持在1200r/min，进给速度控制在1000mm/min，每层的背吃刀量为0．7mm。

1.3 曲面的精加工

精加工曲面时，使用直径为10mm的双刃球形铣刀，刀具的转速为2300r/min，进给速度为1000mm/min，精加工时的进刀角度为315度，曲面要具有较高的精度，这是为了让曲面具有非常高的精度以及完好的表面质地，其值可以设置为0．005，行与行之间的间距设为0．15mm。从刀具加工路径模拟效果图上可以看出，如果不进行曲面粗加工而是直接进行精铣削，会造成较大的切削量，并且刀具在铣削时会产生明显的振动，表面会由于这些因素变得粗糙，不仅不会达到快速精铣的目的，甚至也会发生断刀。如果进刀角度设置为315度加工时行间的距离比较均匀，切削液也会产生较好的冲刷效果，工件的表面会产生较好的质量。

1.4 曲面薄壁件的外形精加工

对曲面进行精加工后，接着对薄壁形状进行精加工，并成形，如果在加工顶部曲面之前先加工外形，会形成较高的薄壁形状，铜料在刀具的切削作用下会发生变形和弯曲，从而导致加工失败，这是曲面薄壁类铣削加工很容易出现的问题。由于薄片之间为窄槽，而且这种窄槽本身比较适合用直径较小的刀具来进行加工，可以使用直径为4mm的铣刀来进行精加工，首先我们可以将转速调整至2000r/min，并且将进给速度调整为400mm/min，在进行实际的加工过程当中刀具的下刀深度要适中，不宜过大。由于刀具的直径较小，装夹加工件的长度较长，极易发生过切现象，所以每层的背吃刀量可以取0．4mm，此时转速和进给速度可以适当高些，这样会提高加工效率。设置路径参数时，外形加工余量取-0．1mm，这是预留的火花加工距离，加工时不抬刀，这是因为轮廓外下刀是比较安全的下刀位置，这样可以节约刀具的空运行时间，从而提高效率。

进行曲面薄壁类铣削加工艺加工路线要进行精密的规划，经过长期的加工实践，比较成熟的工艺方案是粗铣外形和边框加工、曲面粗加工、曲面精加工、对薄壁外形进行精加工。

2 曲面薄壁件加工时的变形分析

对曲面薄壁件进行铣削加工非常复杂，涉及到机械加工工艺、材料科学、塑性力学等学科。为了对铣削加工时的受力变形情况进行研究，要进行反复的试验，如果获得庞大的数据都要进行试验需要较大的工作量，对曲面薄壁件加工过程中的变形情况进行分析时，可以使用有限元分析软件。

2.1 力学描述

在对曲面薄壁件进行铣削时，薄壁件的刚度较小，刀具下刀铣削时极易发生变形，使薄壁件的理论切深和实际切削深度产生差异。如果切削件发生了变形，实际精度会与设计精度不一致，从而导致铣削件发生报废。对曲面薄壁件进行铣削时，机床、刀具、夹具等引起刚度的弱化，从而产生让刀变形，刀具在切削过程中其深度会减少而影响切削力。刀具和工件的变形会产生新的径向切深，切削区域的边界角度会发生变化，此时要重新对切削操作进行调整。

2.2 薄壁件加工时产生变形的分析

通常应对铣削过程中的变形问题时，采取的方法是完成精加工以后，如果此时没有进给量要增加切削数量，采用这种方法可以将残余的材料除掉，但是对于部件的加工效率会产生一定的影响。本文采用的补偿铣削变形方法是用有限元模型来计算变形量，用CAM软件来分析变形数据，数据加工程序具有了一定的补偿功能。

进行刀具路径补偿操作时进行有限元分析，刀具在走刀时其走刀路径根据变形量的大小进行调整，补偿因为进刀时变形产生的让刀量。这样操作后一次走刀就可以除掉残余的材料，薄壁件的壁厚参数也可以得到保证。

进行曲面薄壁件的补偿变形加工时，刀具走刀时要按照预设的刀具轨迹来进行，薄壁件的刚度很小所以加工时极易发生变形，使切削位置和设计位置发生偏移，要对加工时某点的变形量进行修正来保证实际切削位置和设计点位置的重合。用有限元分析模型可以获得变形结果，从而可以掌握薄壁件铣削时的变形规律，以此来获得优化的刀具路线轨迹。

2.3 曲面薄壁件加工变形时产生的误差补偿

刀具在进给时以及沿轴线方向会产生变形，所以进行刀具轨迹补偿时要以进给刀和轴线位置进行。针对进给变形，可以修正刀位点的轨迹，轴线方向如果发生变形，可以偏摆刀具的角度来实现变形补偿。工件在加工过程中发生变形，如果发生于刀具的轴线方向不一定是一条直线，此时可以将轴线切深进行分割，实行多次走刀，这种方法会影响加工效率，以后的走刀路径也会对已加工表面产生影响。对轴线方向的变形曲线进行线性拟合后，可以获得一个直线斜率，这个斜率可以做为刀具的偏摆角度，对刀位点的位置进行修正以及对刀具角度进行偏摆调整后，就获得了修正的刀具轨迹。

3 走刀路线的确定

在对薄壁件进行数控加工控制前，要建立一个制造模型，然后建立一个制造数据库，这个数据包括机床、夹具、刀具等的参数设置，最后要对加工方法进行设置，对刀具轨迹进行演示并生成加工数据，从而获得最为合理的刀具路径来生成数控加工代码。

4 结语

曲面薄壁类铣削工艺在模具加工应用比较广泛，加工起来难度较大，机床和刀具的类型和性能不同，采取的加工方法也不尽相同。

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