薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)分析

李盼

（臺(tái)州學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000）

0 引言

伴隨著現(xiàn)代加工工藝的發(fā)展，薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)愈加的精密高效，已逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，已越來越成為國(guó)家先進(jìn)制造技術(shù)水平的重要衡量指標(biāo)。薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)在普通的數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了薄壁零件數(shù)控加工，生產(chǎn)出來的這些零件被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，包括軍事、航空航天等。在薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的過程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)在這一過程中發(fā)揮了不可忽視的重要作用，高精密機(jī)床在現(xiàn)代加工業(yè)的運(yùn)用，結(jié)合高仿真系統(tǒng)的分析，在數(shù)控加工前期對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行預(yù)防性仿真，利用數(shù)據(jù)來分析和減小數(shù)控零件的變形，并利用模擬平臺(tái)模擬實(shí)際中的約束，建立工藝模型。下面本文將具體分析薄壁零件數(shù)控加工過程中影響工藝質(zhì)量的因素，并結(jié)合因素提出相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化方案，具體從改進(jìn)裝夾方案、修改切削參數(shù)、修正刀具路徑等方面來具體闡述改進(jìn)優(yōu)化方案，借此來提高加工工藝的整體質(zhì)量。

1 薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量影響因素分析

保證薄壁零件的加工精度一直是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)制造企業(yè)不懈追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)代精密制造業(yè)的一個(gè)難題。薄壁零件雖然具有輕量化的優(yōu)點(diǎn)，但是此類零件的剛性較小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在數(shù)控加工過程中極易變形甚至損害，因此，薄壁零件的數(shù)控加工成為了機(jī)械加工業(yè)存在的一個(gè)難題。要提升薄壁零件數(shù)控加工的精度，需要對(duì)影響數(shù)控工藝精度的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，從影響因素當(dāng)中得出最佳改進(jìn)優(yōu)化方案。

影響數(shù)控加工工藝精度的因素主要有機(jī)床精度及其剛度、工藝工度路線、工件（熱、力）變形、走刀路徑與方式、切削速度、深度及進(jìn)給量、裝夾引起的變形、刀具變形與磨損等等。加工精度的嚴(yán)格定義是加工后零件實(shí)際表面與圖紙理想幾何參數(shù)之間的符合程度。結(jié)合加工精度所涉及的因素，影響數(shù)控加工工藝的最主要因素是零件變形。因此，要提升薄壁零件數(shù)控加工工藝的精度，最主要的措施是要解決變形問題，要重點(diǎn)解決零件本身及工藝系統(tǒng)剛度和零件應(yīng)力變形而引起的零件變形問題，著重分析上述影響因素，保證零件成品實(shí)際表面的尺寸、大小、位置方面能夠最大限度的符合圖紙上的理想幾何參數(shù)。

1.1 零件裝夾對(duì)加工精度的影響。

零件本身的剛度是影響零件加工精度的一個(gè)重要因素，對(duì)這一因素的改進(jìn)是選擇適當(dāng)?shù)难b卡夾緊方式，通過改進(jìn)裝夾方案來提高數(shù)控工藝加工精度。在薄壁零件數(shù)控加工的過程中，需要仔細(xì)分析零件的位置以及夾緊裝置，對(duì)引起變形的應(yīng)力的部位以及作用方向進(jìn)行細(xì)致的數(shù)據(jù)分析，夾緊裝置可以采取專用夾具例如輔助支承、施工圈、脹套等等，此外，薄壁環(huán)形工件采用軸向裝卡來代替徑向裝卡，通過這一系列的改進(jìn)優(yōu)化措施對(duì)零件變形采取有力的預(yù)防和解決措施。這是改進(jìn)精度的第一個(gè)方面，提升精度的第二個(gè)方面是增強(qiáng)零件的剛度，最常用的是臨時(shí)增加工件壁厚的方式，增加工件厚度通常是對(duì)數(shù)控零件的空心處進(jìn)行澆灌，比如澆灌石蠟、松香等。待整的數(shù)控加工過程完成以后再去除這些輔助材料。

1.2 切削角度對(duì)切削質(zhì)量的影響。

試驗(yàn)證明，在機(jī)床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和刀具幾何參數(shù)確定的前提下，切削力主要受切削速度、進(jìn)給速度、背吃刀量和切削寬度等因素的影響，其中，刀具角度對(duì)切削質(zhì)量的影響是非常顯著的，適當(dāng)加大刀具的前角和后角，可以有效減少切削變形和摩擦，從而有效削弱切削力，最大限度的控制變形。此外i，影響加工精度的因素還有加工的主偏角和副偏角，加工時(shí)的軸向和徑向切削力的分配由主偏角決定，對(duì)于剛性較差的零件來說，主偏角應(yīng)盡可能的偏向90°。借用此方法來提高零件數(shù)控加工的強(qiáng)度，以此來提升加工精度。

1.3 走刀方式與路徑的分析

走刀方式與路徑也是影響零件數(shù)控加工工藝的一個(gè)重要因素，對(duì)這一因素的改進(jìn)也可以有效提升加工精度。通過改進(jìn)走刀路徑和方式，可以有效提高零件質(zhì)量。在走刀的眾多方式中，一次性粗加工法和階梯式粗加工法這兩種新型的方法可以高效、高速的對(duì)零件進(jìn)行粗工，這兩種方法均是沿著高線軌跡和加工等量均勻的走刀路線進(jìn)行加工。在傳統(tǒng)的走刀路徑中，新的走刀路徑克服了傳統(tǒng)走刀路徑沿斜線方向加工的弊病，此時(shí)的刀具沿x 或y方向在等高線上做平動(dòng)，切除多余金屬，這樣可以切削過程中余量切削均勻，有利于增長(zhǎng)刀具使用壽命，也能在一定程度上提高加工質(zhì)量。

1.4 合理的工序工藝路線對(duì)工藝。

要提高數(shù)控加工工藝的質(zhì)量，必須弄清數(shù)控加工零件的變形規(guī)律，并對(duì)這一規(guī)律進(jìn)行研究和分析，保證數(shù)控加工零件質(zhì)量的關(guān)鍵是制定合理的工序工藝路線，該路線必須著重解決工序工藝中的變形問題，并對(duì)其給與解決方案，研究和掌握其變形規(guī)律，在整個(gè)的工序過程中，依據(jù)加工時(shí)的受力情況選擇合理的定位基準(zhǔn)，為了有效避免加工振動(dòng)，零件的定位面 和定位元件之間的接觸應(yīng)緊密結(jié)合。在選擇合理的加工工序路線的過程中，要選擇正確的零件和夾具，合理分配加工余量。

2 結(jié)合影響提出的改進(jìn)優(yōu)化方案

對(duì)于數(shù)控加工，前期的工藝設(shè)計(jì)是保證加工工藝質(zhì)量的關(guān)鍵方面，主要是采取仿真技術(shù)，模擬加工工藝系統(tǒng)，并結(jié)合工藝系統(tǒng)的幾何特性和物理特性，得出優(yōu)化改進(jìn)方案，數(shù)控加工包括幾何仿真和物理仿真，前者將機(jī)床、刀具、工件等稱為剛形體，通過刀具路徑來檢查宏觀誤差，物理仿真將工件、刀具、機(jī)床等是為彈塑性體，簡(jiǎn)歷工藝模型，分析微觀誤差。

2.1 基于仿真數(shù)控的工藝質(zhì)量改進(jìn)

這里具體談一下改進(jìn)方法，依據(jù)公式KU=F 這一公式來具體分析，K 是工件中的整體剛度矩陣，F(xiàn) 是工件上的載荷列陣，U是工件變形。由公式可以看出，在零件整體剛度一定的條件下，工件上的載荷列陣與工件變形u 之間是成反比的，所以，提高K 或者減少F 都可以減少變形U。此外，還有一種方式就是在K 和F 之間，通過補(bǔ)償減少變形量U，比如在工件原有剛度的基礎(chǔ)上補(bǔ)償工件剛度，通過填充零件的方式來提高剛度，待零件完工后去掉填充物。這些措施都是基于分析影響零件變形的因素的基礎(chǔ)上而得出的具體措施，是理論聯(lián)系實(shí)際思想在工業(yè)加工中的具體表現(xiàn)，所以，這些措施可以有效提高零件數(shù)控加工工藝的精度和總體的加工質(zhì)量。

2.2 提高操作的主動(dòng)性，推行刀具路徑修正法。

在生成刀具路徑時(shí)，要事先考慮工件變形，工件變形是影響工件加工質(zhì)量非常關(guān)鍵的一個(gè)因素。對(duì)于薄壁零件來說，其輕量化的發(fā)展趨向，使得其剛度問題成為制約零件數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要障礙。由于其剛度低，在數(shù)控加工過程中因剛強(qiáng)度的夾緊和切削，引起零件變形的幾率還是非常大的。針對(duì)這一問題，，在加工過程中要事先考慮工件加工變形發(fā)生的可能性，以及零件變形可能會(huì)引起的零件回彈量，這就要求我們，在數(shù)控加工的過程中要不斷的修改或補(bǔ)償?shù)毒呗窂?，要?xì)致觀察工件加工過程中出現(xiàn)的各種狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備修正刀具路徑，保證刀具路徑始終控制在正確的操作軌道上，避免出現(xiàn)因刀具路徑的偏差而引起的工件失誤。通過修正或補(bǔ)償?shù)毒呗窂絹韥頊p少變形回彈誤差。在工件夾緊切削的時(shí)候，切削速度和切削角度也會(huì)影響薄壁零件的數(shù)控加工，。對(duì)于切削角度而言，要依據(jù)科學(xué)的數(shù)據(jù)計(jì)算，來輔助操作。數(shù)據(jù)顯示，適當(dāng)加大切削刀具的前角和后角，可以有效控制切削速度和刀具摩擦，那么對(duì)于降低因切削而引起的變形和摩擦。

2.3 改進(jìn)零件裝夾方式，優(yōu)化零件裝夾方案。

零件的裝夾力也是影響零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量和加工零度的一個(gè)重要因素，對(duì)于剛度較小的薄壁零件數(shù)控加工來說，若是在工件加工過程中施加的夾緊力過大，則薄壁零件發(fā)生變形的可能性還是非常大的，這樣會(huì)損害加工零件的精度和質(zhì)量，在工件加工的過程中，還有一個(gè)力與夾緊力相對(duì)應(yīng)，那就是支撐力。支撐力和夾緊力所側(cè)重的加工位置是不一樣的，因?yàn)楸”诠ぜ旧淼膭偠仁禽^小的，所以需要支撐力的支持來增大零件本身的強(qiáng)度，所以，支撐力應(yīng)該作用于強(qiáng)度較小的表面，那么，相對(duì)應(yīng)的，夾緊力在一定程度上是在降低工件的剛度，所以，應(yīng)該將夾緊力作用于零件剛度較大的表面。這樣，將夾緊力與支撐力合理分配給了不同強(qiáng)度的零件表面，做到了科學(xué)控制，又在數(shù)控的基礎(chǔ)上人為降低了薄壁零件發(fā)生變形的可能性，而且該措施可行性強(qiáng)，科學(xué)合理，對(duì)于控制薄壁零件的變形還是非常有效的。此外，裝夾位置和工具也需進(jìn)一步優(yōu)化，在裝卡夾緊之前，要對(duì)工件的夾緊位置進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，對(duì)工件上的應(yīng)力進(jìn)行專業(yè)分析，可以采用更加先進(jìn)的裝夾裝置例如脹套、輔助支承和施工圈等進(jìn)行必要的加工輔助，最大限度的降低夾緊裝置以及夾緊力失誤所帶來的工件變形。夾緊裝置與提高薄壁零件的剛度兩個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防和準(zhǔn)備，這樣一個(gè)雙管齊下的措施可以有效降低工件變形發(fā)生的可能性。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代加工工藝的迅猛發(fā)展，薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)在現(xiàn)代加工業(yè)中的應(yīng)用大規(guī)模普及，對(duì)薄壁零件加工工藝的質(zhì)量要求也有了一個(gè)很大層次的提升。薄壁零件的質(zhì)量把關(guān)也逐漸的嚴(yán)格起來，我們應(yīng)該細(xì)致的分析影薄壁零件加工的相關(guān)因素，對(duì)每一個(gè)因素是影響加工工藝的方式做到成竹在胸，應(yīng)該著重突出主要因素對(duì)薄壁零件的影響，例如夾緊裝置的影響、切削速度的影響、走刀路徑的影響、在操作過程中各種因素引起的零件變形的影響，其實(shí)，零件變形所引起的工件誤差是最主要的，所以改進(jìn)薄壁零件數(shù)據(jù)加工質(zhì)量的關(guān)鍵，是要減小工件變形以及加工變形。因此，基于以上分析，我們應(yīng)該著力控制工件變形和加工變形，對(duì)于引起工件變形的因素如切削力、切削速度、裝夾力、裝夾裝置等給予足夠的控制，并在科學(xué)的數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)它們采取合理有效的預(yù)防和控制措施，做好了這些工作，薄壁零件的數(shù)控加工工藝質(zhì)量才會(huì)在有科學(xué)保障的基礎(chǔ)上順利實(shí)現(xiàn)。要善于發(fā)現(xiàn)和分析整個(gè)加工過程中的全部影響因素，并針對(duì)這些問題提出相對(duì)應(yīng)的解決和優(yōu)化措施，通過科學(xué)的分析和預(yù)防提高薄壁零件數(shù)控加工工藝的質(zhì)量，促進(jìn)現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展。

[1]季明浩.鈦合金環(huán)形薄壁零件加工工藝研究[J].工具技術(shù).2006（2）：44-47

[2]王志剛、何寧.武凱.薄壁零件加工變形分析與控制方案.[J]中國(guó)機(jī)械工程2002，13（2）：P114-117

[3].樂成明.宋廣畢.李真楷.冷熱加工技術(shù)在鋁合金薄壁零件加工中的應(yīng)用.航空制造技術(shù)[J].2004.（11）：84-86

[4].《機(jī)械加工手藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》.北京.航空工業(yè)出版社.2009,13（2）14-15