薄壁零件加工工藝實現(xiàn)關鍵技術研究

劉曉瑩 柳曉川

摘要：隨著數(shù)控制造技術的發(fā)展，薄壁零件由于具備占有空間小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耗材小等特點，在滿足工件的設計性能要求，即保證材料強度和剛度的技術指標要求下，廣泛地被應用在航天航空、精密機械、檢測儀器、模具和汽車等機械制造行業(yè)設備產(chǎn)品中。

關鍵詞：薄壁零件;穩(wěn)定性;加工;影響因素

1.薄壁零件加工穩(wěn)定性

零件的加工往往考慮精度和加工效率兩個方面，首先是零件切削過程的穩(wěn)定性，保證零件加工精度，其次充分發(fā)揮機床的性能以提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。為了減少切削過程中產(chǎn)生的振動現(xiàn)象，切削系統(tǒng)無顫振的穩(wěn)定切削往往限制了機床自身諸多先進性能的發(fā)揮。機床-刀具-零件切削系統(tǒng)在構(gòu)建數(shù)學模型時，一般假設機床是剛性的，刀具-零件之間的切削力動態(tài)模型成二階振蕩環(huán)節(jié)形式。實際上薄壁零件的切削過程不僅與切削位置的變化、刀具-零件振動系統(tǒng)的質(zhì)量和彈性模量有關，而且與刀具、薄壁零件的固有頻率密切相關。

1.1刀具-零件振蕩系統(tǒng)的建立

在刀具切削力的作用下，薄壁零件發(fā)生彈性變形，刀具刀齒的切入切出使零件受力進行周期性變化，隨著不斷高速切削，零件厚度降低，刀具與工件之間摩擦力的作用大小和方向也會發(fā)生變化，對刀具-零件系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響越來越大，為方便進行力學描述和數(shù)學表示，刀具-零件切削系統(tǒng)簡化為質(zhì)量、彈簧和阻尼三個要素。

圖1-1所示的刀具-零件振蕩系統(tǒng)模型

由圖1-1所示的刀具-零件振蕩系統(tǒng)簡化模型，建立單自由度振動系統(tǒng)的運動微分方程并進行拉氏變換后，整理得刀具-零件振蕩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為為：

式中：y（t）為在運動方向上的振動位移;

F（t）為薄壁零件動態(tài)切削力;?

m為刀具-零件系統(tǒng)的等效質(zhì)量;

c為刀具-零件系統(tǒng)的等效阻尼;

k為刀具-零件系統(tǒng)的等效剛度;

，為刀具-零件振蕩系統(tǒng)的固有頻率。

1.2薄壁零件切削的穩(wěn)定條件?

通過建立刀具切削力模型，獲得刀具-零件振蕩系統(tǒng)的最大軸向切削深度與系統(tǒng)、刀具、零件固有頻率的穩(wěn)定性關系，計算公式如下：

式中：為切向切削力系數(shù)，y方向積分系數(shù)。

從上式可以看出，薄壁零件的壁厚加工的穩(wěn)定性取決于切削力的激勵頻率、切削系統(tǒng)固有頻率。由于構(gòu)建刀具-零件振蕩系統(tǒng)數(shù)學模型時，假定零件是剛性的，實際上加工的穩(wěn)定性隨薄壁零件的固有頻率的降低，也會產(chǎn)生顫振現(xiàn)象。特別是高速加工技術，當切削力的激勵頻率的諧波頻率與薄壁零件固有頻率接近時，就會引起切削力的不穩(wěn)定，造成強烈的振動，破壞薄壁零件的加工質(zhì)量。

2.薄壁零件加工的影響因素

2.1薄壁零件低頻加工的影響因素

零件的精度和表面粗糙度主要取決于加工的工藝參數(shù)，相對于高速加工技術，也無顯著表面硬化現(xiàn)象。因此在普通數(shù)控加工過程中，低頻加工增加了薄壁零件的切削穩(wěn)定性，減小了加工溫度、表面硬化的影響。薄壁零件的彈塑性變形主要取決于加工切削力的大小。

2.2影響薄壁零件數(shù)控加工的工藝參數(shù)

薄壁零件的加工的影響因素很多，主要包括零件的材料和結(jié)構(gòu)形式、加工切削力、裝夾方式、走刀路徑等幾個方面，還涉及到切削熱、殘余應力、表面硬化、刀具的幾何參數(shù)等因素。

2.2.1薄壁零件材料和結(jié)構(gòu)形式的影響

不同的材料可加工性是不同的，在加工過程中切削力和產(chǎn)生的切削熱也是不同的，從而導致工件的尺寸變化也是不同的;材料相同的零件，結(jié)構(gòu)不同時，比如有加強筋的薄壁件和沒有加強筋的薄壁件，用相同的加工工藝加工后的尺寸變化也是不同的。

2.2.2切削力的影響

薄壁零件加工在切削過程中盡量保持金屬切除率的穩(wěn)定性、保持切削載荷的恒定。薄壁零件的加工是斷續(xù)的，影響切削力交變的原因主要是：一是切削量隨著刀具的切削刃切人和切出發(fā)生周期性變化，頻率為以刀齒整數(shù)倍的交變，切削力主要由切削參數(shù)決定，減小吃刀量可以減小變形;二是由于切削過程中存在機床-刀具-零件的系統(tǒng)振動產(chǎn)生的切削力交變分量。當加工進給速度提高時，對機床的固有頻率提出更高要求，高速加工中由于顫振引起的切削力變化遠高于平均銑削力，同樣避免系統(tǒng)固有頻率附近發(fā)生顫振。

2.2.3裝夾的影響

裝夾是機械加工中一個非常重要的環(huán)節(jié)，它不僅要保證工件在機床上占據(jù)正確的位置，而且在受到外力時也能保持正確的位置不發(fā)生變化。然而，特別是對于薄壁件的加工，裝夾會在一定程度上導致工件的變形，雖然這種裝夾變形不能消除，但可以通過對裝夾方式的優(yōu)化減少工件的變形。在銑削過程中，裝夾產(chǎn)生的夾緊力與切削力相互作用，使零件的初始殘余應力與加工中的殘余應力重新分布，從而引起工件的變形。特別是對于那些回彈變形大的零件，裝夾導致的變形更嚴重。

2.2.4加工路徑的影響對于同一個工件，加工工藝路徑不一樣，裝夾次數(shù)，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率也大不相同，這是由于加工路徑不同，加工中精度保障和加工時間也是不同的。?除了以上因素外，切削參數(shù)、刀具尺寸、加工工藝、熱變形、機床的加工精度、振動特性以及其他隨機因素同樣會對工件的加工精度和效率產(chǎn)生影響。

結(jié)論

本文以薄壁零件數(shù)控加工工藝為研究對象，研究了薄壁結(jié)構(gòu)零件數(shù)控加工過程中的穩(wěn)定性和影響因素，為優(yōu)化數(shù)控加工工藝參數(shù)、工藝設計方案提供相關技術支撐，以降低薄壁零件的加工成本，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1]孔祥東.機械控制工程基礎（第三版）.機械工業(yè)出版社，2008.3