环形薄壁铝合金零件数控加工技术研究*

韩 军 徐 睿 熊凤生

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

薄壁零件具有质量轻、节约材料、结构紧凑等特点，但在加工中零件的刚性差、强度弱、极易变形[1]，而薄壁铝合金材质零件更轻、更软，加工的过程更加复杂，加工时间长，难以保证加工精度。对此，学者们进行了一系列研究，刘剑龙等[2]对框架类薄壁零件的总体加工工艺进行优化，为框架类薄壁零件的加工提供了思路；刁振华[3]对薄壁铝合金箱体的研究，实现了该零件在加工中心上的高速、高质量加工；杜海清等[4]使用油泥填充薄壁零件型腔来代替夹具，可以在小规模生产中保证加工精度的同时降低成本。由此可见，制订合理的加工工艺、设计适合的装夹方式可以有效解决薄壁零件加工过程中出现的变形、精度低等问题影响工件加工精度的最主要因素为夹紧变形和加工变形，为减小变形，在粗加工阶段采取预留出支撑体的方法避免工件与夹具直接接触，在半精加工与精加工阶段使用专用夹具。通过有限元分析验证可行性，并且设计合理的加工工艺，进行编程和仿真加工，进而可以获得较高的加工质量。

1 零件的结构分析

该环形薄壁铝合金零件用于某型航空用电机内部连接器结构，有较高的表面粗糙度要求和精度要求，主要加工难点在于铝合金材质刚性差会造成装夹变形、加工变形。图1为环形零件三维图，该零件中间镂空，呈环形，需要正反面加工，有台阶面及通孔，侧面直边上需要加工两个螺丝孔和一个矩形连接器孔，注意该零件正反面略有不同，以区域1高于区域2的一面为正面，区域2高于区域1的一面为反面。

2 数控加工工艺制订

环形薄壁零件由于毛坯材料特性、加工余量大小、环形壁厚度、装夹方式等多方面的影响，在加工过程中容易产生变形，数控加工中的工艺设计决定了数控机床的使用效率、零件的加工质量、刀具数量和经济性等问题[5]，所以要结合材料特点和零件结构特征进行充分的加工工艺分析，考虑到各影响因素，从而制定合理的加工方案。

2.1 加工工艺分析

该零件毛坯材料为7075铝合金板，毛坯尺寸为180 mm×130 mm×20 mm，零件工程图如图2所示。主要加工面为零件正反面，加工精度、公差要求较高，未注圆角R3，未注公差按GB/T 1804-f。

粗加工要尽可能大地去除余量, 余量为正常工序间余量加上适当的变形量[6]，从毛坯到加工成型，要去除大量材料，加工余量大，加工时间长，易产生大量切削热，引起工件变形，因此将外围材料去除的工作分散到多次粗精加工过程中。由于零件外形不利于夹持，在正面粗加工时不能直接将零件外围轮廓加工出来，需预留出支撑体，反面粗加工、半精加工、精加工时平口钳夹持支撑体，以减小夹具与工件间的接触应力，支撑体如图3所示。

2.2 刀具选择

零件加工需要经过铣、钻、倒角等多道工序，要兼顾加工质量和加工效率，尽量减少换刀次数，结合零件结构和材料特点，选用高速钢刀具，粗加工时选用直径较大刀具，清角时刀具要小于圆角半径，钻孔前要先用中心钻定位，详细刀具卡如表1所示。

表1 加工刀具卡

2.3 加工工艺安排

按照“先面后孔，先粗后精，先主后次，基面先行”的原则，安排零件加工的工艺过程为：粗铣正面→粗铣反面→半精铣反面→精铣反面→半精铣正面→精铣正面。第一次正面向上装夹阶段，粗铣正面、铣出支撑体，粗加工正面镂空部分时要分多层铣削；反面向上装夹阶段用平口钳轻夹支撑体，粗加工、半精加工、精加工反面，钻通孔和螺纹孔；第二次正面向上装夹阶段使用专用夹具，半精加工、精加工正面，铣掉支撑体；为更好地进行二次装夹和校正，要在每一次装夹加工结束后对棱边进行去毛刺处理。加工工序卡如表2所示。

表2 加工工序卡

3 专用夹具设计和分析

零件最终成品的最薄处为2 mm，壁薄、材料较软易变形等问题给工件装夹带来困难。在工件正面半精加工、精加工阶段(第二次正面向上装夹)，若采用压板和螺栓固定工件，需要分两次装夹，首先在工装板上用压板压住支撑体，如图4b所示，加工完工件内部后卸掉压板，再使用螺栓在工件内部通孔处固定，如图4c所示，加工工件外部。

多次装夹会降低加工效率和定位精度，需要对装夹方式重新设计，在进行装夹时，要保证以下几点要求：

(1)零件夹紧后保证不变形或尽量小变形。

(2)要保证位置精度。

(3)便于装卸。

分析该薄壁环形零件的结构，侧面为一直边和一圆弧边，定位困难，精加工后的反面有通孔和小平面，并且要保证夹紧后工件尽量不变形，就需要在工件不易变形的方向上装夹。第二次正面向上装夹前反面已经精加工完成，反面区域1平面与支撑体反面平齐，可作为定位面，且有通孔可作为定位孔，因此采用一面两销定位，即在第二次正面向上装夹时采用精加工后的孔和反面区域1平面及与其平齐的支撑体反面的组合进行定位。

在正面半精加工、精加工阶段(第二次正面向上装夹)设计了专用夹具作为改进方法，如图5所示。在夹具体上方、下方右侧对应的工件上方、下方右侧φ6.5 mm通孔处分别穿入菱形销钉和圆柱销钉，菱形销长边与两销钉连心线垂直，两销钉顶部高度低于精加工完成后通孔高度，半成品工件反面的凸起部分(反面区域2)卡在夹具体的凹槽内，在区域3下方有凸起的垫块，凹槽底部和垫块顶部与半成品工件间有间隙，在间隙处涂抹黑胶来固定半成品工件，加工时可直接用平口钳夹持夹具体，避免了与工件直接接触。显然使用专用夹具加工更加便捷。

在进行铣削加工时，工件会产生变形，因此对正面精加工、半精加工阶段的压板加螺栓固定和专用夹具固定两种形式进行有限元分析、对比，验证改进方法的有效性。切削金属时的切削力受到多种因素影响，铣削力的经验公式的通用形式为[7]：

(1)

式中：C为加工材料、切削条件系数，v是切削速度，ap是切削深度，f是进给量，aw是铣削宽度，d是刀具直径。

将式(1)等号两边同时取对数，转换为线性方程，得：

lgF=lgC+lgd+xlgv+ylgap+

mlgf+nlgaw

(2)

按照四元线性模型进行转化，可得线性回归方程为：

(3)

根据文献[7]的数据回归分析，可得到铣削力在x、y、z方向分力的指数公式：

(4)

根据现场实际试加工，影响零件尺寸精度的加工变形发生在半精加工外壁直边时，即夹具改进前在通孔处用螺栓固定来半精加工工件外部直边时以及使用专用夹具后半精铣外壁直边时，将此时的切削深度ap=5 mm，进给量f=800 mm/min，铣削速度v=78 m/min，铣削宽度aw=1.5 mm，刀具直径d=10 mm，没有使用切削液，故取k=1，代入式(4)中可得Fx=81.0 N，Fy=134.7 N，Fz=27.5 N。

理论上切削力和理论约束力达到静力平衡，但在实际加工中，要将铣削力计算公式[8]乘以安全系数K，实际约束力公式为：

(5)

K=K0·K1·K2·K3

其中，基本安全系数K0=1.5，加工性质因数K1=1.2，刀具钝化因数K2=1.3，切削特点因数K3=1.0，铝合金切削系数CF=167，修正系数kF=1.0，ae=0.05d=0.5 mm，每齿进给量af=0.08 mm，刀具直径d=10 mm，齿数z=4，切削深度ap=5 mm，代入到式(5)中解得实际约束力为96.4 N。

在UG的有限元仿真分析模块，对模型施加载荷和约束后进行求解，分析结果如图6所示。通孔处用螺栓固定工件加工时变形量较大，最大变形量超过了0.19 mm，超出了公差要求；而采用了专用夹具固定的方法，最大变形量仅为7.8×10-3mm，符合公差要求。

4 主要加工面仿真和实验加工

使用UG进行零件造型和编程后，利用Vericut软件对该零件的主要加工面即正反面进行仿真加工，可以对UG的编程进行检验，以确保工件的加工准确性和可靠性[9]，仿真加工准确无误后才能在机床上进行实际加工。

4.1 Vericut仿真加工

仿真加工具体操作步骤为：(1)将模型库中的generic-3ax-vmill机床导入工位，选择fan10m控制系统；(2)创建180 mm×130 mm×20 mm的毛坯，导入NX夹具；(3)根据刀具卡创建刀具库,设置自动装夹和自动对刀；(4)将UG后处理生成的程序代码导入加工程序；(5)添加加工坐标，设置G代码偏置。准备完毕后，进行仿真加工。

待程序运行结束后，在“分析”项目中选择“自动比较”命令，设置“比较类型”为“过切和残留”，设定检查精度，自动检查结果如图7所示，结果显示在设定的检查精度范围内成品工件与设计工件间没有区别，没有出现过切和残留。

4.2 实验加工

将后处理过的NC程序导入DMU50加工中心进行实际加工，工件实物如图8所示，加工结束后使用三坐标测量仪对工件进行测量，部分尺寸测量结果如表3所示，符合加工要求。

表3 尺寸比较 mm

5 结语

通过对环形薄壁铝合金零件的材料分析、结构分析，制定了较为合理的数控加工工艺；通过设置合适的加工刀具和工艺路线以及设计支撑体、专用夹具，有效地抑制了环形薄壁零件在加工过程中产生变形，提高了加工精度和效率；使用Vericut对主要加工面进行仿真加工，模拟真实加工环境，检验UG生成程序的准确性，最后进行上机加工，可有效避免加工风险，降低废品率，也为其他同类型产品的加工提供了经验和值得借鉴的方法。