薄壁件接刀痕的分析及解决方案

秦卫伟， 石 斌， 刘 波， 刘小飞， 刘步远

（1.山西工程职业技术学院， 山西 太原 030009；2.晋西工业集团有限责任公司， 山西 太原 030027；3.智奇铁路设备有限公司， 山西 太原 030032）

随着科技水平的不断发展和深化，以及生产、生活对产品要求的不断提高，产品设计的特征越来越复杂，薄壁件也随处可见，比如不断变薄的手机、笔记本电脑等产品。薄壁类零件是机械制造行业中经常遇到的难加工零件，其外形复杂，制造精度要求高，往往加工工艺也比较复杂，如果工艺设计不合理，会造成产品薄壁处变形，加工表面接刀痕过大等现象，影响加工质量，甚至造成废品。在薄壁件的零件加工中，现阶段广泛使用高速加工中心进行加工，以满足高精度尺寸和表面质量的要求[1]。

如何在高速加工中心上既能加工出满足精度要求的零件，又能体现高速加工中心的高效加工效率，就需要在加工工艺上进行深入的研究。本文以一铝合金薄壁件为例，从加工工艺优化着手，在分析存在接刀痕的原因后，提出解决接刀痕的工艺优化思路[2-4]。

1 铝合金薄壁件接刀痕现象分析

1.1 分析图纸

该零件毛坯为铝合金型材，尺寸精度符合要求，毛坯示意图如图1所示。零件四周和上表面凸台部分不需要加工，中间凹槽部位为本工序加工内容，中间加工部位表面与毛坯底面夹角为1.5°，加工部位表面粗糙度要求均为Ra1.6 μm，零件示意图如图2所示。该零件年产量较大，为批量加工。

1.2 工艺准备

根据毛坯分析状态，确定以下工艺内容。

1）装夹方式。根据毛坯的特点，零件四周不需要加工，为防止装夹变形，影响加工精度，所以采用压板固定方式进行装夹，如图3所示。该零件为批量加工，在工作台X、Y方向安装定位块，以实现每次装夹的准确定位。

图1 毛坯示意图

图2 零件示意图

图3 零件装夹图

2）刀具选择。刀具的选择应根据被加工材料、加工设备、刀柄、加工内容等多项因素综合考虑，如下页表1所示。加工铝件时，为得到较高精度的加工表面质量，一般使用人造金钢石刀具或使用细晶粒的钨钴类硬质合金，并且不带涂层，刀具刃口锋利及表面光洁，以达到一个较低的摩擦系数，降低积屑瘤的产生。加工过程中，精加工刀具要选择小于加工部位最小圆角的立铣刀，根据零件图要求，该零件加工部位最小圆角大于R10 mm，在考虑经济成本的情况下，选用Φ20钨钴类硬质合金立铣刀，刀具型号为ECAH320-40/60C20CF-R02CIC08，为3刃铣刀，每齿进给量FZ=0.1 mm/r，进给速度为Vf=500 mm/min。

表1 刀具选择因素表

1.3 加工后出现的主要问题

零件加工时需要多次走刀才能完成全部底面的加工，加工完成后，对加工部位底面目视检测发现，刀具路径重叠部分存在接刀痕现象，用手触摸发现接刀痕更为明显，经采用表面粗糙度比较样块对比检测，表面粗糙度达不到Ra1.6 μm，无法满足零件的质量要求。发现问题后，首先更换同一规格的新刀具，进行再次加工，接刀痕现象仍然存在，零件表面质量并未改善，因此排除刀具磨损造成接刀痕的产生[4,5]。

2 可能产生接刀痕的原因分析

接刀痕的出现，对产品的质量有着重要的影响，进而影响产品的使用。在生产中应尽量避免接刀痕的出现。综合分析接刀痕产生原因与设备的状态、毛坯的状态、装夹方式、刀具路径都有直接或间接关系。

2.1 设备状态对加工的影响

设备状态主要影响尺寸精度以及接刀痕的状态，从理论上分析，主要原因是：

1）设备的精度。机床主轴不垂直会造成圆跳动误差增大，主轴刚度、刀柄装配间隙也会造成接刀痕的产生。当主轴存在摆差时，底刃加工后的表面为凹弧，底面最高点和最低点就会出现差值，加工表面形成阶梯状。

2）设备的使用时间长短，立柱磨损，运动精度超差，机件配合间隙过大。

3）设备受强迫及自激振动等因素。实际加工时受切削和刀具精度等因素影响，加工时的精度误差比理论值更大。

2.2 毛坯状态对加工的影响

基准先行是安排数控加工工艺的一项重要原则，毛坯底面状态对加工产品的质量也会产生不同程度的影响，该零件为薄壁零件，由于夹紧力的作用，当加工表面呈现凸起状态时，如图4所示，使得毛坯底面与夹具无法全面接触，影响了精基准的使用。另外在加工中零件加工部位中部为架空状态，加之材料厚度薄，刚性较差，加工时容易产生共振使加工表面出现颤纹，其次由于刀具经过架空部位时，材料变形产生下陷现象，刀具接触部位下陷程度不一，最终造成接刀痕不齐。

图4 毛坯底部变形示意图

2.3 装夹方式对加工的影响

装夹方式、夹紧顺序不当都会造成毛坯产生变形，该零件在装夹时，压板的夹紧顺序对加工产品的影响尤为重要，如果先夹紧7、8号压板会使毛坯较长方向的内应力无法释放，引起底面变形，达不到加工要求，直接造成废品。

2.4 刀具路径选择对加工的影响

随着CAD/CAM技术的不断发展，越来越多的企业采用自动编程软件进行程序的编制，以解决复杂特征零件的编程，尤其是在加工不规则曲面时，只要把曲面的三维模型创建好，在CAM模块设置好毛坯、刀具、加工方法、加工参数，就可以生成刀具路径，经后处理得到加工程序。采用自动编程软件进行编程、生成刀具路径，可以极大的提高生产效率，但完全依赖自动编程软件规划刀具路径也是不可取的，通常需要进行优化。

生产中利用自动编程软件对该零件加工部位进行建模、生成刀具路径，下页图5所示刀具路径是生成的第一种刀具路径，此刀具路径在实际加工中发现如下几个问题：

1）由于使用环切法，刀具路径在零件中间部位步距不均匀，造成中间部位刀具路径重复现象严重，程序量较大且造成零件中间部位凹陷，进而造成接刀痕现象的发生，影响零件的加工精度和表面质量。

2）生成的刀具路径在拐角部位，由于机床换向有停顿现象，所以容易造成过切现象，影响加工质量。

图5 CAM软件刀具路径1图6 CAM软件刀具路径2

图6是利用自动编程软件生成另的一种刀具路径，采摆线铣削法，此刀具路径在实际加工中，由于刀具路径密度高，表面粗糙度较好，基本没有接刀痕现象，但刀具路径过于密集后，会造成加工时间的延长，加工效率较低，一般不适合采用此类刀具路径。

3 接刀痕现象的解决方案

该零件的加工采用新进设备，设备几何精度、工作精度等各项精度均符合国标要求，故排除设备对加工的影响。综合分析得出造成该零件接刀痕现象和变形的主要原因为：装夹顺序的影响；加工刀具路径的不合理。针对以上原因，制定解决方案。

3.1 改变装夹顺序

装夹时先夹紧中间部位2、5号压板；然后逐步夹紧 1、6、3、4 号压板；最后加紧 7、8 号压板。减少了由于装夹不当造成的内应力，接刀痕现象得到改善，提高了加工精度。

3.2 优化刀具路径

在分析自动编程软件生成的两种刀具路径后，总结图5、图6两种刀具路径的问题，在保证零件加工质量要求的同时，尽可能提高加工效率。利用手工编程和自动编程相结合的编程方式，先进行自动编程粗加工，给手工编程留0.5～0.8 mm精加工余量，采用行切走刀完成精加工刀具路径，如图7所示。该刀具路径的优点是：

减少了底面中间部位刀具路径往复过多的问题，避免了底面下陷现象，不仅消除了接刀痕问题，提高了加工表面质量，而且刀具路径长度减少，提高了加工效率；刀具加工过程中在X、Y加工方向变换时，增加了圆弧过渡，避免了过切现象的产生，新生成的刀具路径工艺优化效果比较明显，达到了预期效果；合理设置步距减小接刀痕，得到较好的零件表面加工质量（精加工零件表面时，刀具的步距设置为刀具直径的50%～75%较为理想。步距太小，造成刀路增多，影响加工效率，步距太大则会造成接刀痕的产生，影响加工表面质量）。

图7 手工编程结合自动编程软件刀具路径

4 结语

薄壁零件加工后接刀痕现象比较严重，与设备状态、毛坯状态、工艺方法、刀具以及刀具路径的选用都有关系，需要综合分析考虑。在实际加工过程中应遵循人机法料环的基本原则，针对具体问题，具体分析，最终找出解决铣削中接刀痕存在的根本方法。本文通过改变装夹顺序和优化刀具路径消除接刀痕现象的出现，取得了预期的效果，积累了经验，对类似薄壁铝合金型材铣削提供了新的可能。