SolidCAM中iMachining模塊在薄壁零件加工中的應(yīng)用研究

紀(jì)剛強(qiáng) 侯英杰 張娟 王姝

摘 要：薄壁零件的數(shù)控加工對設(shè)備性能有較高的要求，利用SolidCAM中的iMachining模塊對薄壁零件進(jìn)行數(shù)控銑削編程、仿真并加工。本文在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度相等的情況下針對走刀路徑、軸向切削量、徑向切削量等工藝參數(shù)以及加工效率方面與傳統(tǒng)的分層銑削方式進(jìn)行了綜合對比，為iMachining模塊在薄壁件編程加工方面的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：薄壁零件；數(shù)控加工；SolidCAM；iMachining

中圖分類號：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0174-03

Research on the Application of iMachining Module in the Processing of

Thin-wall Parts in SolidCAM

JI Gangqiang，HOU Yingjie，ZHANG Juan，WANG Shu

（Engineering Training Center of Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030008，China）

Abstract：The NC machining of thin-walled parts has high requirements for the device performance. The iMachining module in SolidCAM is used to program，simulate and process thin-walled parts CNC milling. Under the condition of equal spindle speed and feed speed，a comprehensive comparison is made between the technological parameters and the machining efficiency of the tool path，axial cutting volume，radial cutting volume and the traditional hierarchical milling mode.It provides guidance and reference for the research on the programming and processing of thin-walled parts by iMachining module.

Keywords：thin-walled parts；NC machining；SolidCAM；iMachining

0 引 言

隨著材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工藝學(xué)的飛速發(fā)展，薄壁零件由于具有高強(qiáng)度、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、高承載性等特點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車、國防等工業(yè)領(lǐng)域。尤其是在要求自身重量低，強(qiáng)度高、剛度大的航空航天工業(yè)中，薄壁零件得到了很好的應(yīng)用。[1]

當(dāng)前，薄壁零件正在向零件壁厚小尺寸化、零件整體大尺寸化和復(fù)雜化的方向發(fā)展。但薄壁零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差，加工過程中很容易出現(xiàn)變形的情況，這就使傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難保證其加工精度。[2]

從已有的研究資料來看，影響薄壁零件加工精度的因素主要有：工件材料特性、結(jié)構(gòu)特性、毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削力和切削熱、裝夾因素及加工路徑等。[3]其中切削力過大是導(dǎo)致加工工藝系統(tǒng)變形、刀具磨損、加工精度和加工質(zhì)量的重要原因，因此降低加工切削力可以作為減少加工變形和提高加工精度的優(yōu)化策略。[4]

目前薄壁零件的加工方法很多，如傳統(tǒng)的銑削、車削、飛切，磨削、拋光，以及旋壓、壓鑄，混合加工成形等等，每種加工方法都對應(yīng)著不同類型的薄壁件的制造與應(yīng)用。[5]SolidCAM作為制造業(yè)中普遍使用的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件，可以提供多種不同的加工編程模塊，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、電子、醫(yī)療、消費(fèi)品、機(jī)床設(shè)計(jì)、汽車和航空航天工業(yè)中。其中的iMachining模塊是SolidCAM公司新研發(fā)的一種高效加工策略，它可以實(shí)現(xiàn)大切深、大進(jìn)給加工，并且可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，使機(jī)床連續(xù)運(yùn)動。iMachining不僅可以縮短生產(chǎn)周期，而且可以縮短單個工序的加工時間，同時延長刀具的使用壽命，提高加工的經(jīng)濟(jì)效益。[6]

本文利用SolidCAM中的iMachining模塊對預(yù)先設(shè)計(jì)好的薄壁零件進(jìn)行加工編程和后處理，并且用臺灣友佳VMP-23A型立式加工中心進(jìn)行實(shí)際的加工，用三坐標(biāo)測量儀對零件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量，并與傳統(tǒng)加工方法加工的零件在加工時間、尺寸誤差、表面加工質(zhì)量方面進(jìn)行比較，提出一種新的薄壁零件加工方法，有效解決了薄壁零件在加工過程中的變形問題。

1 薄壁件特點(diǎn)和加工難點(diǎn)分析

1.1 薄壁件結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，薄壁件由內(nèi)外兩個三分之二的圓筒以及底座部分組成。其中底座部分直徑40mm，高度15mm。外面的大圓外徑D1為38mm，里面的小圓直徑D2為21mm，壁厚δ均為0.5mm，高度為10mm。工件材料選用6061硬質(zhì)鋁合金，外徑與厚度之比分別是D1/δ=76，D2/δ=42，屬于典型薄壁件，具有一定的薄壁件代表性，且內(nèi)外兩個圓都不是完整的圓，這給薄壁件的加工帶來了一定的難度。使用Solidworks軟件對薄壁件進(jìn)行實(shí)體建模，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表明此工件屬于典型的薄壁件，且用傳統(tǒng)的車削加工無法完成，基于此我們選擇數(shù)控銑削進(jìn)行加工。

1.2 工件加工難點(diǎn)分析

薄壁件的加工變形受很多的因素影響，主要包括切削參數(shù)與切削方式，刀具（如刀具材料、剛度、幾何參數(shù)等）、機(jī)床本身（如機(jī)床剛度、加工精度等）、冷卻條件、切削過程中的振動以及其它隨機(jī)因素等都會對零件變形和表面質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。[7]

概括起來主要包括：零件的材料和結(jié)構(gòu)、加工選用刀具、裝夾方式、切削力、殘余應(yīng)力等幾個方面。實(shí)驗(yàn)中，主要加工難點(diǎn)在于壁厚小，且開口有邊緣，在加工過程中易變形，材料去除率高。

2 工藝分析與加工

針對上述加工難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)薄壁零件時要綜合考慮各方面的影響因素，盡量避免對加工效果產(chǎn)生不利的影響。首先將薄壁部分設(shè)計(jì)在零件上半部分，加工時只需用三抓卡盤夾住底座部分，避免裝夾方面對加工的影響。機(jī)床選擇臺灣友佳VMP-23A型FANUC系統(tǒng)三軸立式加工中心。綜合考慮加工效率和切削力的影響，經(jīng)過計(jì)算，刀具選擇直徑為4mm的三刃硬質(zhì)合金端銑刀。[8]結(jié)合實(shí)際加工過程以及參考文獻(xiàn)得知，薄壁零件的加工不同于普通零件的加工，主要表現(xiàn)在普通零件的加工工序分為粗加工、半精加工、精加工。[9]而薄壁零件由于結(jié)構(gòu)的特殊性，要求在加工過程中盡量減少相應(yīng)的工序。如果按照普通零件的工序進(jìn)行加工，在精加工階段側(cè)壁所留的余量較少，在最后精加工的走刀過程中，刀具和零件極易產(chǎn)生共振而導(dǎo)致零件有大的變形。大量的加工實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，變形最嚴(yán)重的地方主要集中在零件的邊緣處。

因此我們提出了針對薄壁零件的一次加工成型方法，其中主要加工參數(shù)見表1，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速S都設(shè)為5000r/min，XY方向進(jìn)給速度F設(shè)為300mm/min。普通加工是利用分層輪廓銑削加工，單次切削深度為1mm，銑削量為1.4mm，銑削10次。iMachining加工切削深度可達(dá)10mm，銑削量為0.37mm，可以充分利用刀具的側(cè)刃進(jìn)行切削。兩種加工方法都是在SolidCAM模塊中進(jìn)行編程并后處理生成G代碼，最后在加工中心上進(jìn)行加工，用普通機(jī)冷卻液作為冷卻介質(zhì)。

3 零件的測量與誤差分析

圖2為薄壁零件成品圖，從外觀來看，兩種加工方法基本都沒有變形，邊緣倒圓角細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好，與實(shí)體建模圖基本一致。但iMachining加工底面效果明顯優(yōu)于普通加工，從零件成品中的刀紋可看出刀具軌跡，與SolidCAM中模擬的刀具軌跡圖是一致的。表2為測量的薄壁零件各項(xiàng)參數(shù)，其中大圓直徑D1、小圓直徑D2、同軸度（兩個零件都是以大圓為基準(zhǔn)，測量內(nèi)部小圓的同軸度）是用雷頓三坐標(biāo)測量機(jī)測量的，表面粗糙度值Ra用德國馬爾M400便攜式粗糙度儀測量。從表中可看出兩種加工方法的外形尺寸誤差均較小，iMachining加工的誤差相對更小，分別達(dá)到了-0.0262和-0.0212。同軸度同樣也是iMachining加工的零件要比普通加工的要好。粗糙度值方面，兩種加工方法都較低，分別達(dá)到了0.522μm和0.334μm，iMachining加工的零件表面粗糙度值更小。

4 結(jié) 論

薄壁件已被廣泛應(yīng)用于國防、汽車、航空航天等領(lǐng)域，但是由于薄壁零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度相對較低、材料去除率高、加工工藝性差、加工過程中易變形等問題而被認(rèn)為是機(jī)械加工中的難題。本文針對薄壁零件在數(shù)控加工中易變形的特點(diǎn)，利用SolidCAM軟件中的iMachining模塊對加工進(jìn)行編程模擬加工后處理，提出一種新的薄壁零件加工方法。經(jīng)過與普通的分層銑削加工進(jìn)行對比，零件在外形尺寸、同軸度和表面粗糙度方面都表現(xiàn)地更好。

在同等的加工條件下iMachining加工的薄壁零件表面質(zhì)量高，加工用時更少。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周勇.航空薄壁件加工動態(tài)特性及控制 [J].工具技術(shù)，2016，50（1）：82-86.

[2] 高翔，王勇.薄壁零件精密數(shù)控銑削關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].機(jī)床與液壓，2009，37（9）：14-17.

[3] 葉建友，呂彥明，徐看，等.薄壁件銑削變形及補(bǔ)償技術(shù)研究 [J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014（3）：17-20.

[4] 李洋.薄壁零件的加工振動分析與加工工藝優(yōu)化對策 [J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)月刊，2016，35（21）：10-11.

[5] 廖玉松，韓江.鋁合金薄壁件銑削加工精度控制研究 [J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2015（5）：113-117.

[6] 徐衛(wèi)東，沈俊英，季剛，等.智能、高效SolidCAM iMachining解決方案 [J].航空制造技術(shù)，2013，421（1）：152-153.

[7] 廖劍斌，蘇茜.分析薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法 [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（6）：133-134.

[8] 董玉梅，閆曄，趙勤德.基于加工特征的刀具選擇 [J].制造業(yè)自動化，2013，35（14）：150-153.

[9] 石廣豐，王景梅，宋林森，等.薄壁零件的制造工藝研究現(xiàn)狀 [J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，35（1）：68-72.