薄壁件接刀痕的分析及解決方案

秦衛(wèi)偉， 石 斌， 劉 波， 劉小飛， 劉步遠(yuǎn)

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009；2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030027；3.智奇鐵路設(shè)備有限公司， 山西 太原 030032）

隨著科技水平的不斷發(fā)展和深化，以及生產(chǎn)、生活對(duì)產(chǎn)品要求的不斷提高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特征越來越復(fù)雜，薄壁件也隨處可見，比如不斷變薄的手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品。薄壁類零件是機(jī)械制造行業(yè)中經(jīng)常遇到的難加工零件，其外形復(fù)雜，制造精度要求高，往往加工工藝也比較復(fù)雜，如果工藝設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成產(chǎn)品薄壁處變形，加工表面接刀痕過大等現(xiàn)象，影響加工質(zhì)量，甚至造成廢品。在薄壁件的零件加工中，現(xiàn)階段廣泛使用高速加工中心進(jìn)行加工，以滿足高精度尺寸和表面質(zhì)量的要求[1]。

如何在高速加工中心上既能加工出滿足精度要求的零件，又能體現(xiàn)高速加工中心的高效加工效率，就需要在加工工藝上進(jìn)行深入的研究。本文以一鋁合金薄壁件為例，從加工工藝優(yōu)化著手，在分析存在接刀痕的原因后，提出解決接刀痕的工藝優(yōu)化思路[2-4]。

1 鋁合金薄壁件接刀痕現(xiàn)象分析

1.1 分析圖紙

該零件毛坯為鋁合金型材，尺寸精度符合要求，毛坯示意圖如圖1所示。零件四周和上表面凸臺(tái)部分不需要加工，中間凹槽部位為本工序加工內(nèi)容，中間加工部位表面與毛坯底面夾角為1.5°，加工部位表面粗糙度要求均為Ra1.6 μm，零件示意圖如圖2所示。該零件年產(chǎn)量較大，為批量加工。

1.2 工藝準(zhǔn)備

根據(jù)毛坯分析狀態(tài)，確定以下工藝內(nèi)容。

1）裝夾方式。根據(jù)毛坯的特點(diǎn)，零件四周不需要加工，為防止裝夾變形，影響加工精度，所以采用壓板固定方式進(jìn)行裝夾，如圖3所示。該零件為批量加工，在工作臺(tái)X、Y方向安裝定位塊，以實(shí)現(xiàn)每次裝夾的準(zhǔn)確定位。

圖1 毛坯示意圖

圖2 零件示意圖

圖3 零件裝夾圖

2）刀具選擇。刀具的選擇應(yīng)根據(jù)被加工材料、加工設(shè)備、刀柄、加工內(nèi)容等多項(xiàng)因素綜合考慮，如下頁(yè)表1所示。加工鋁件時(shí)，為得到較高精度的加工表面質(zhì)量，一般使用人造金鋼石刀具或使用細(xì)晶粒的鎢鈷類硬質(zhì)合金，并且不帶涂層，刀具刃口鋒利及表面光潔，以達(dá)到一個(gè)較低的摩擦系數(shù)，降低積屑瘤的產(chǎn)生。加工過程中，精加工刀具要選擇小于加工部位最小圓角的立銑刀，根據(jù)零件圖要求，該零件加工部位最小圓角大于R10 mm，在考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，選用Φ20鎢鈷類硬質(zhì)合金立銑刀，刀具型號(hào)為ECAH320-40/60C20CF-R02CIC08，為3刃銑刀，每齒進(jìn)給量FZ=0.1 mm/r，進(jìn)給速度為Vf=500 mm/min。

表1 刀具選擇因素表

1.3 加工后出現(xiàn)的主要問題

零件加工時(shí)需要多次走刀才能完成全部底面的加工，加工完成后，對(duì)加工部位底面目視檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，刀具路徑重疊部分存在接刀痕現(xiàn)象，用手觸摸發(fā)現(xiàn)接刀痕更為明顯，經(jīng)采用表面粗糙度比較樣塊對(duì)比檢測(cè)，表面粗糙度達(dá)不到Ra1.6 μm，無法滿足零件的質(zhì)量要求。發(fā)現(xiàn)問題后，首先更換同一規(guī)格的新刀具，進(jìn)行再次加工，接刀痕現(xiàn)象仍然存在，零件表面質(zhì)量并未改善，因此排除刀具磨損造成接刀痕的產(chǎn)生[4,5]。

2 可能產(chǎn)生接刀痕的原因分析

接刀痕的出現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品的使用。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免接刀痕的出現(xiàn)。綜合分析接刀痕產(chǎn)生原因與設(shè)備的狀態(tài)、毛坯的狀態(tài)、裝夾方式、刀具路徑都有直接或間接關(guān)系。

2.1 設(shè)備狀態(tài)對(duì)加工的影響

設(shè)備狀態(tài)主要影響尺寸精度以及接刀痕的狀態(tài)，從理論上分析，主要原因是：

1）設(shè)備的精度。機(jī)床主軸不垂直會(huì)造成圓跳動(dòng)誤差增大，主軸剛度、刀柄裝配間隙也會(huì)造成接刀痕的產(chǎn)生。當(dāng)主軸存在擺差時(shí)，底刃加工后的表面為凹弧，底面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)差值，加工表面形成階梯狀。

2）設(shè)備的使用時(shí)間長(zhǎng)短，立柱磨損，運(yùn)動(dòng)精度超差，機(jī)件配合間隙過大。

3）設(shè)備受強(qiáng)迫及自激振動(dòng)等因素。實(shí)際加工時(shí)受切削和刀具精度等因素影響，加工時(shí)的精度誤差比理論值更大。

2.2 毛坯狀態(tài)對(duì)加工的影響

基準(zhǔn)先行是安排數(shù)控加工工藝的一項(xiàng)重要原則，毛坯底面狀態(tài)對(duì)加工產(chǎn)品的質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，該零件為薄壁零件，由于夾緊力的作用，當(dāng)加工表面呈現(xiàn)凸起狀態(tài)時(shí)，如圖4所示，使得毛坯底面與夾具無法全面接觸，影響了精基準(zhǔn)的使用。另外在加工中零件加工部位中部為架空狀態(tài)，加之材料厚度薄，剛性較差，加工時(shí)容易產(chǎn)生共振使加工表面出現(xiàn)顫紋，其次由于刀具經(jīng)過架空部位時(shí)，材料變形產(chǎn)生下陷現(xiàn)象，刀具接觸部位下陷程度不一，最終造成接刀痕不齊。

圖4 毛坯底部變形示意圖

2.3 裝夾方式對(duì)加工的影響

裝夾方式、夾緊順序不當(dāng)都會(huì)造成毛坯產(chǎn)生變形，該零件在裝夾時(shí)，壓板的夾緊順序?qū)庸ぎa(chǎn)品的影響尤為重要，如果先夾緊7、8號(hào)壓板會(huì)使毛坯較長(zhǎng)方向的內(nèi)應(yīng)力無法釋放，引起底面變形，達(dá)不到加工要求，直接造成廢品。

2.4 刀具路徑選擇對(duì)加工的影響

隨著CAD/CAM技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)采用自動(dòng)編程軟件進(jìn)行程序的編制，以解決復(fù)雜特征零件的編程，尤其是在加工不規(guī)則曲面時(shí)，只要把曲面的三維模型創(chuàng)建好，在CAM模塊設(shè)置好毛坯、刀具、加工方法、加工參數(shù)，就可以生成刀具路徑，經(jīng)后處理得到加工程序。采用自動(dòng)編程軟件進(jìn)行編程、生成刀具路徑，可以極大的提高生產(chǎn)效率，但完全依賴自動(dòng)編程軟件規(guī)劃刀具路徑也是不可取的，通常需要進(jìn)行優(yōu)化。

生產(chǎn)中利用自動(dòng)編程軟件對(duì)該零件加工部位進(jìn)行建模、生成刀具路徑，下頁(yè)圖5所示刀具路徑是生成的第一種刀具路徑，此刀具路徑在實(shí)際加工中發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)問題：

1）由于使用環(huán)切法，刀具路徑在零件中間部位步距不均勻，造成中間部位刀具路徑重復(fù)現(xiàn)象嚴(yán)重，程序量較大且造成零件中間部位凹陷，進(jìn)而造成接刀痕現(xiàn)象的發(fā)生，影響零件的加工精度和表面質(zhì)量。

2）生成的刀具路徑在拐角部位，由于機(jī)床換向有停頓現(xiàn)象，所以容易造成過切現(xiàn)象，影響加工質(zhì)量。

圖5 CAM軟件刀具路徑1圖6 CAM軟件刀具路徑2

圖6是利用自動(dòng)編程軟件生成另的一種刀具路徑，采擺線銑削法，此刀具路徑在實(shí)際加工中，由于刀具路徑密度高，表面粗糙度較好，基本沒有接刀痕現(xiàn)象，但刀具路徑過于密集后，會(huì)造成加工時(shí)間的延長(zhǎng)，加工效率較低，一般不適合采用此類刀具路徑。

3 接刀痕現(xiàn)象的解決方案

該零件的加工采用新進(jìn)設(shè)備，設(shè)備幾何精度、工作精度等各項(xiàng)精度均符合國(guó)標(biāo)要求，故排除設(shè)備對(duì)加工的影響。綜合分析得出造成該零件接刀痕現(xiàn)象和變形的主要原因?yàn)椋貉b夾順序的影響；加工刀具路徑的不合理。針對(duì)以上原因，制定解決方案。

3.1 改變裝夾順序

裝夾時(shí)先夾緊中間部位2、5號(hào)壓板；然后逐步夾緊 1、6、3、4 號(hào)壓板；最后加緊 7、8 號(hào)壓板。減少了由于裝夾不當(dāng)造成的內(nèi)應(yīng)力，接刀痕現(xiàn)象得到改善，提高了加工精度。

3.2 優(yōu)化刀具路徑

在分析自動(dòng)編程軟件生成的兩種刀具路徑后，總結(jié)圖5、圖6兩種刀具路徑的問題，在保證零件加工質(zhì)量要求的同時(shí)，盡可能提高加工效率。利用手工編程和自動(dòng)編程相結(jié)合的編程方式，先進(jìn)行自動(dòng)編程粗加工，給手工編程留0.5～0.8 mm精加工余量，采用行切走刀完成精加工刀具路徑，如圖7所示。該刀具路徑的優(yōu)點(diǎn)是：

減少了底面中間部位刀具路徑往復(fù)過多的問題，避免了底面下陷現(xiàn)象，不僅消除了接刀痕問題，提高了加工表面質(zhì)量，而且刀具路徑長(zhǎng)度減少，提高了加工效率；刀具加工過程中在X、Y加工方向變換時(shí)，增加了圓弧過渡，避免了過切現(xiàn)象的產(chǎn)生，新生成的刀具路徑工藝優(yōu)化效果比較明顯，達(dá)到了預(yù)期效果；合理設(shè)置步距減小接刀痕，得到較好的零件表面加工質(zhì)量（精加工零件表面時(shí)，刀具的步距設(shè)置為刀具直徑的50%～75%較為理想。步距太小，造成刀路增多，影響加工效率，步距太大則會(huì)造成接刀痕的產(chǎn)生，影響加工表面質(zhì)量）。

圖7 手工編程結(jié)合自動(dòng)編程軟件刀具路徑

4 結(jié)語

薄壁零件加工后接刀痕現(xiàn)象比較嚴(yán)重，與設(shè)備狀態(tài)、毛坯狀態(tài)、工藝方法、刀具以及刀具路徑的選用都有關(guān)系，需要綜合分析考慮。在實(shí)際加工過程中應(yīng)遵循人機(jī)法料環(huán)的基本原則，針對(duì)具體問題，具體分析，最終找出解決銑削中接刀痕存在的根本方法。本文通過改變裝夾順序和優(yōu)化刀具路徑消除接刀痕現(xiàn)象的出現(xiàn)，取得了預(yù)期的效果，積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似薄壁鋁合金型材銑削提供了新的可能。