薄壁類金屬零件數(shù)控加工工藝分析

邱述龍，李國平，李鏡懸

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

現(xiàn)代化金屬加工行業(yè)的發(fā)展，在一定程度上推進了薄壁類金屬生產(chǎn)單位的高精度發(fā)展，現(xiàn)如今，高精度數(shù)控加工工藝已成為了衡量產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與制造水平的重要指標。薄壁生產(chǎn)工藝與數(shù)控機床的集成，使前端產(chǎn)出的金屬構(gòu)件廣泛應用到了市場領域，包括軍事制造、航空研發(fā)、醫(yī)療設備生產(chǎn)等[1]。相比常規(guī)的人工作業(yè)生產(chǎn)，數(shù)控加工實現(xiàn)了使用數(shù)字化技術與信息化技術，對零件與機械刀位的控制，使設計的成果具有批量效率高、精度高、形狀多變等特點。

在新型加工工藝的發(fā)展下，我國的金屬制造市場開始與國外生產(chǎn)進行對接，一些金屬零件制造與生產(chǎn)加工單位逐步承接大批量薄壁類金屬加工項目，但綜合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，現(xiàn)如今我國的金屬生產(chǎn)市場在承接大型工程項目時，仍在加工工藝方面存在不足，此種不足以嚴重影響了對外出口金屬構(gòu)件的質(zhì)量，甚至會由于生產(chǎn)中，產(chǎn)出大量不合格金屬成品，導致生產(chǎn)單位的預計收益呈現(xiàn)一種顯著下降趨勢。因此，本文將綜合早期的研究成果，以薄壁類金屬零件為例，對此類構(gòu)件的數(shù)控加工工藝設計展開研究，為我國金屬市場的發(fā)展帶來更高的收益，提升我國金屬加工制造在全國的水平。

1 薄壁類金屬零件數(shù)控加工工藝

1.1 薄壁類金屬零件數(shù)控編程準備

原有薄壁類金屬零件技工過程中極易出現(xiàn)工件壁過薄，在夾壓力的作用下極易出現(xiàn)變形的問題。同時，在加工過程中，由于切削熱會進一步造成零件熱變形現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴重影響零件的加工質(zhì)量。

為了在保證薄壁類金屬零件加工質(zhì)量符合實際需要的基礎上，滿足數(shù)控加工的批量性，在加工處理前，要先進行數(shù)控編程的準備工作。使用高精度掃描設備，對待加工處理的金屬構(gòu)件在Cimatrone7.1軟件中進行外形與實體的掃描處理。將掃描的結(jié)果成像在顯示端，利用編程工具中的輪廓處理功能鍵、銑削處理功能鍵、精度校正功能鍵等，進行金屬構(gòu)件的整體準備。

在編程準備時，考慮到加工的金屬零件外壁較薄，為了降低切削處理對零件外形的影響，可在編程中先進行底面的加工，再進行零件側(cè)面的加工。同時，在高速給進處理時，設備的運轉(zhuǎn)速率較高，因此，可在選擇工具選擇時盡量規(guī)避過長長度的加工工具，并在加工前后，進行工具切削處理的參數(shù)（包括轉(zhuǎn)速、功率等的集中調(diào)整）。考慮到加工設備的大幅度振動可能會導致薄壁類金屬在加工處理時發(fā)生變形，因此需要降低設備的振動，采用由內(nèi)向外的擴展編程方式進行數(shù)控構(gòu)件加工。在進行金屬構(gòu)件的型腔加工時，應根據(jù)型腔的數(shù)量，進行加工順序的編程，切記不可在此過程中對多個型腔進行同時編程加工，否則會由于進深不同或受力不均出現(xiàn)切削異常。

1.2 選擇金屬零件數(shù)控加工刀具

在完成上述準備工作后，在對薄壁類金屬零件進行車削時，刀具的集合角度對于切削的力度和車削過程中零件的熱變形和零件表面的微觀質(zhì)量而言都有著直觀重要的作用。同時，刀具的前角大小會直接決定著切削變形以及刀具前角的鋒利程度。若刀具前角大，則相應的切削變形以及產(chǎn)生的摩擦力小，切削力也??；反之，若刀具前角小，則相應的切削變形以及產(chǎn)生的摩擦力大，切削力也大。在完成加工前的編程準備后，需要根據(jù)加工工藝的實際需求，進行加工刀具的合理選擇，并以此為依據(jù)，進行傳統(tǒng)生產(chǎn)與加工方式的改進[2]。在此步驟中，需要根據(jù)薄壁類金屬零件表面的粗糙度分析，根據(jù)表層粗糙度，進行主軸控制功率的調(diào)整，以此可以得到針對構(gòu)件的單位切削量。得到需求切削量后，將其與表1中數(shù)據(jù)進行對比，以此選擇與加工處理步驟對應的刀具。

表1 金屬零件數(shù)控加工刀具選用對比表

根據(jù)金屬構(gòu)件在加工過程中的實際需求，按照表1內(nèi)容，選擇對應的加工處理刀具。在完成對刀具的選擇后，還需要針對其切削參數(shù)進行確定。當進行薄壁類金屬零件的數(shù)控加工時，其變形會出現(xiàn)在多個方面，當裝夾工作時夾緊力過大或切削工作中切削力過大都會造成零件出現(xiàn)變形問題，嚴重影響到最終加工質(zhì)量。因此，針對這一問題，針對上述選擇的刀具在使用過程中的具體情況進行分析。通過總結(jié)以往經(jīng)驗和進一步分析得出，當背吃刀量和進給量出現(xiàn)同時增加，則相應的切削力也會隨之增加，變形量也會逐漸增加，對于薄壁類金屬零件的加工而言造成十分不利影響。當適當降低背吃刀量增加進給量時，盡管切削力會逐漸降低，但在零件表現(xiàn)存在的殘余面積會逐漸增加，其表面的粗糙度值過大，也會影響到加工質(zhì)量。因此，針對上述特點，在對刀具的切削量進行選擇是，需要在充分遵循刀具切削用量原則基礎上，對數(shù)控加工機床上各項切削參數(shù)進行確定。首先，在進行外圓粗車操作時，應當將數(shù)控加工機床的主軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制在400min/r～600min/r，將其進給速度控制在F100～F120，將留精車余量控制在0.25mm～0.45mm范圍內(nèi)。其次，在進行外圓警車操作時，應當將數(shù)控加工機床的主軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制在1100min/r～1200min/r范圍內(nèi)，將其進給速度控制在F110～F150范圍內(nèi)，并采用一次走刀的方式完成這一加工操作。最后，在進行對寬槽金屬結(jié)構(gòu)的加工操作時，應當通過多個G55數(shù)控機床程序控制指令完成對其定位加工，將其主軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制在550min/r～650min/r范圍內(nèi)，將這一操作過程中的進給速度控制在F10～F20范圍內(nèi)，以此根據(jù)上述論述，實現(xiàn)對刀具切削使得參數(shù)設定。

1.3 高速銑削加工步驟

在完成上述相關處理步驟后，對薄壁類金屬構(gòu)件的高速銑削加工步驟進行設計，具體步驟如下：

在進刀與退刀過程中，按照圓弧處理方式進入或離開金屬構(gòu)件，以此種方式進行加工處理，可以避免刀具在突然接觸金屬表面時出現(xiàn)異常劃痕。同時，在數(shù)控操作端設定進刀與退刀的重疊量參數(shù)為0。

在走刀加工過程中，選擇Contour處理方式，在加工時，按照“Z軸”分層處理方式，以順銑的方式接近金屬構(gòu)件。為了避免薄壁類金屬零件由于受力不均出現(xiàn)外觀形變，可在進行兩側(cè)的余量加工時，將加工步驟劃分為兩次實施。根據(jù)兩側(cè)加工時刀具的背吃刀量，對加工過程中的刀具轉(zhuǎn)速參數(shù)進行調(diào)整。

在完成金屬構(gòu)件中一個型腔的加工處理后，考慮到完成加工處理的金屬型腔內(nèi)壁會變薄，此時在處理第二個型腔時，倘若仍按照第一個型腔的給進方式加工，會使第二個型腔的支撐力存在不足問題[3]。因此，可在第二個型腔處理時，適當降低切削力，以此類推直到完成對金屬構(gòu)件所有型腔的加工作業(yè)。綜合上述分析，完成對薄壁類金屬的數(shù)控加工工藝設計。

除此之外，在實際對薄壁類金屬零件進行加工時，去薄壁寬槽金屬結(jié)構(gòu)的加工是零件加工整體中的重點和難點，針對這一金屬結(jié)構(gòu)進行合理加工設計可以進一步提升薄壁類金屬零件整體的加工質(zhì)量。根據(jù)一般的薄壁類金屬零件規(guī)格而言，其槽底金屬結(jié)構(gòu)的厚度通常在2.5mm～3.5mm方位內(nèi)，槽肋金屬結(jié)構(gòu)的厚度通常在0.8mm～1.2mm范圍內(nèi)，針對上述兩個金屬結(jié)構(gòu)的厚度精度要求極高。在加工過程中，需要對數(shù)控加工質(zhì)量進行合理選擇，并根據(jù)實際加工情況，采用程序指令實現(xiàn)對寬槽金屬結(jié)構(gòu)的數(shù)控加工。當前，針對常用的數(shù)控加工機床GSLK6468-4950型號數(shù)控加工機床而言，其針對切槽金屬結(jié)構(gòu)的加工編程指令包含三種，其中一種為簡單的直線形式切削，在實際應用中并不符合本文薄壁類金屬零件數(shù)控加工的需要；第二種為直筋式進刀，刀具在使用過程中采用一進到底的方式，在應用到本文薄壁類金屬零件數(shù)控加工當中很難實現(xiàn)對其產(chǎn)生的細屑全部排出的效果，因此造成切削力必須進一步增加，進而使得最終薄壁類金屬零件金屬結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)變形；第三種為伸縮式的進刀切槽指令，在進行對單槽金屬結(jié)構(gòu)的加工時，可以分為對此刀切削操作完成加工動作，并且在實際應用中更容易控制。同時，這種金屬結(jié)構(gòu)的加工編程指令能夠?qū)崿F(xiàn)一個寬槽金屬結(jié)構(gòu)的加工，也能夠?qū)崿F(xiàn)一次對多個相同距離多槽解耦股的加工。因此，綜合上述論述及分析，在進行對薄壁類金屬零件的加工時，采用第三種加工編程指令。在實際應用中，通過對第三種加工編程質(zhì)量的使用能夠有效避免薄壁類金屬零件出現(xiàn)變形問題，保證加工質(zhì)量，同時也能夠進一步提升對薄壁類金屬零件加工的效率。在實際加工過程中，除了需要按照上述加工步驟嚴格執(zhí)行外，還應當注意工件在加工時應當確保其裝夾牢固，以此防止在加工過程中出現(xiàn)刀具打滑飛出的問題產(chǎn)生。同時，在進行車削操作時，應當適當使用冷卻液，以此減少薄壁類金屬零件在加工時的受熱變形，從而確保加工表面的質(zhì)量符合規(guī)定要求。最后，在完成所有加工步驟后，在退刀環(huán)節(jié)編程時需要注意換刀節(jié)點是否具備安全性能，避免在換刀時出現(xiàn)車刀、刀架等結(jié)構(gòu)碰撞，以此在保證薄壁類金屬零件加工質(zhì)量的提升，提高加工的安全性，以此實現(xiàn)薄壁類金屬零件數(shù)控加工的安全、文明生產(chǎn)，確保其具備加工效益。

2 實例應用分析

在完成對數(shù)控加工工藝的設計后，選擇某金屬加工生產(chǎn)單位作為此次實驗的試點場所，此生產(chǎn)單位近期承接了一個生產(chǎn)數(shù)量為10.0萬的鋁合金制品構(gòu)件加工項目。在與實驗單位簽訂合作協(xié)議后，按照本文提出的內(nèi)容，選擇數(shù)控加工作為鋁合金制品加工的主要方法，按照本文的加工方式，根據(jù)加工構(gòu)件的質(zhì)量要求，進行數(shù)控編程準備，完成準備后，可選擇外圓精車刀作為此次加工的主要刀具，此刀具在使用中的主偏角度為90.0°，前角度對應25.0°，后角度對應9.0°，刀具半徑為0.4mm。為了避免由于本文加工工藝不完善導致的生產(chǎn)單位經(jīng)濟損失，此次實驗選擇1.0萬個構(gòu)件進行加工實驗。

完成對批量鋁合金構(gòu)件的加工處理后，對加工的成品進行質(zhì)量檢驗，檢驗方法為流水線檢驗。即將完成加工的鋁合金構(gòu)件放置在傳送帶上，將傳送帶與掃描裝置進行對接，以掃描鋁合金構(gòu)件外形的方式，進行構(gòu)件合格率的檢驗。此次檢驗的指標包括變形率與外部誤差率，其中允許誤差率為8.0‰（允許誤差為±0.05mm），允許變形率為5.0‰，對應的計算公式為：變形率=（掃描外形得到的變形鋁合金構(gòu)件合數(shù)÷掃描的全部鋁合金構(gòu)件）×1000.0%；誤差率=（掃描外形構(gòu)件加工誤差>0.05mm的鋁合金構(gòu)件÷掃描的全部鋁合金構(gòu)件）×1000.0%。按照此種方式，對生產(chǎn)出的鋁合金構(gòu)件進行成品掃描，將結(jié)果繪制成統(tǒng)計圖，如圖1所示。

圖1 鋁合金構(gòu)件變形率與外部誤差率統(tǒng)計結(jié)果

從上述圖1所示的實驗結(jié)果中可以看出，按照本文設計的數(shù)控加工工藝，對1.0萬件鋁合金制品進行加工處理，完成加工后，此批成品的誤差率<8.0‰，變形率<5.0‰，可以證明此批成品的質(zhì)量符合達標標準。綜上所述，得出此次實驗的結(jié)論：本文設計的針對薄壁類金屬零件的數(shù)控加工工藝，在實際應用中，可以起到提升批次成品質(zhì)量的效果，從而達到為生產(chǎn)單位創(chuàng)造更高項目收益的目的。

3 結(jié)語

本文以薄壁類金屬零件為例，對此類構(gòu)件的數(shù)控加工工藝設計展開研究，在完成對加工工藝的設計后，通過實例應用的方式，證明了設計的加工工藝，在實際應用中，可以起到提升批次成品質(zhì)量的效果。但要將設計的工藝在市場內(nèi)廣泛推廣，還需要后續(xù)對設計成果進行進一步的檢驗。同時，在后續(xù)的研究當中，為了進一步提升薄壁類金屬零件數(shù)控加工工藝的優(yōu)勢，還將從零件牢固性、加工精度、加工效率等方面進行更加深入研究，從而實現(xiàn)對加工工藝的進一步完善，促進薄壁類金屬零件加工質(zhì)量的提升，達到最佳的經(jīng)濟效益水平。