易變形薄壁殼零件的數(shù)控加工技術(shù)

［摘 要］文章對(duì)影響薄壁殼零件數(shù)控加工質(zhì)量的各種因素進(jìn)行了深入分析，包括切削力、熱變形、機(jī)床精度、裝夾方式等。從工藝參數(shù)、夾具設(shè)計(jì)和機(jī)床性能3 個(gè)方面入手，提出一系列優(yōu)化策略，以有效降低薄壁殼體零件的加工變形，從而大幅提升薄壁殼體零件的加工精度，為數(shù)控加工提供新思路、新方法，促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步與品質(zhì)提升。

［關(guān)鍵詞］易變形；薄壁殼零件；數(shù)控加工技術(shù)

［中圖分類號(hào)］TM75 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0020–03

數(shù)控加工技術(shù)在提高薄壁殼零件的加工效率和精度方面至關(guān)重要，然而，如何有效控制加工過(guò)程中的變形問(wèn)題仍然是一個(gè)亟待解決的難題。這一挑戰(zhàn)的存在，要求不斷探索和創(chuàng)新，以尋求更為有效的解決方案，從而充分發(fā)揮數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)薄壁殼零件加工行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1 零件加工變形影響因素

1.1 零件本身結(jié)構(gòu)

對(duì)于易形變薄壁件，為了便于研究，常將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維形式。其典型特征是凸臺(tái)、凹腔和通孔。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了在加工過(guò)程中必須綜合考慮多種因素，才能保證加工的精度和質(zhì)量。尤其是在加工時(shí)，除了要注意零件的上下對(duì)稱性，保證結(jié)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性外，凹腔的變形也不可忽視。薄壁零件由于壁厚比較薄，自身剛性差，因此銑削加工時(shí)的精度控制尤為重要。切削力與夾緊力是機(jī)械加工過(guò)程中的兩大力學(xué)因素，二者共同作用會(huì)引起工件的顫動(dòng)，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量，甚至引起零件整體或局部的變形。特別是薄壁零件厚度越小，剛度越低，變形越大。研究表明，薄壁零件的厚度越小，其抗力即剛度越低。這就意味著，當(dāng)加工較薄的零件時(shí)，必須對(duì)不同的工藝參數(shù)及工況進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，以免產(chǎn)生不必要的變形。因此，為保證薄壁件的加工質(zhì)量與精度，必須對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的工藝控制。其中包括選擇合適的刀具，最佳的切削用量，設(shè)計(jì)合適的夾具，準(zhǔn)確地控制夾緊力。在此基礎(chǔ)上，對(duì)薄壁零件進(jìn)行全方位的工藝控制，并持續(xù)優(yōu)化工藝，可有效降低零件變形風(fēng)險(xiǎn)，提高零件加工質(zhì)量與效率。

1.2 外在因素影響

在銑床薄壁零件時(shí)，除零件自身因素外，還有以下外部因素對(duì)其變形有重要影響：①在熱處理過(guò)程中，冷卻階段起著至關(guān)重要的作用。在此過(guò)程中，零件易因內(nèi)應(yīng)力再分布而產(chǎn)生變形。具體而言，高溫?zé)崽幚砗罂焖倮鋮s過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力急劇變化會(huì)引起材料不均勻收縮，導(dǎo)致零件變形。②不恰當(dāng)?shù)厥褂玫毒?。刀具與工件摩擦產(chǎn)生的切削熱會(huì)改變工件內(nèi)部溫度分布，熱膨脹和非均勻變化會(huì)引起工件變形。刀具材料、磨損程度等因素對(duì)加工結(jié)果有一定的影響，刀具材料選擇不當(dāng)或刀具磨損過(guò)大均會(huì)增大切削阻力，從而增加工件變形的風(fēng)險(xiǎn)。③夾具對(duì)工件變形的影響。夾緊力可能會(huì)影響產(chǎn)品的尺寸，位置和形狀精度。尤其在夾裝過(guò)程中，如果夾裝方法不正確，夾緊力過(guò)大，則會(huì)使工件產(chǎn)生變形。因此，為降低工件變形影響，需優(yōu)化裝夾方式，使夾具能提供穩(wěn)定、合適的支撐力，保證工件加工精度與形位穩(wěn)定性。

2 易變形薄壁殼零件的數(shù)控加工技術(shù)

2.1 易變形薄壁殼零件加工案例

針對(duì)6061 鋁合金制成的薄壁零件，其毛坯具有明確的尺寸規(guī)格，即150 mm×80 mm×10 mm，且最小壁厚僅為1.5 mm，屬易變形結(jié)構(gòu)。該類零件的加工精度要求極高，誤差范圍需嚴(yán)格控制在±0.1 mm 以內(nèi)。然而，在實(shí)際加工后的質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，尺寸誤差達(dá)到了0.16 mm，這明顯超出了預(yù)定的精度標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)深入分析，造成這一誤差的主要原因可歸結(jié)為零件本身的低剛度和薄壁特性。特別是在進(jìn)行大面積銑削操作時(shí)，由于零件受到切削熱和切削力的雙重影響，易發(fā)生形變。此外，加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力、機(jī)床的震動(dòng)以及工裝夾具的不穩(wěn)定性也是導(dǎo)致零件變形的重要因素。為了解決上述問(wèn)題，本研究提出了一系列針對(duì)性的改進(jìn)措施：①為了減小裝夾力對(duì)工件變形的影響，優(yōu)化了夾持方式；②利用切削速度、進(jìn)給、進(jìn)給量等工藝參數(shù)，減小熱、力對(duì)工件的影響；③引入智能系統(tǒng)平臺(tái)與數(shù)控技術(shù)，全面提升加工過(guò)程。數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械加工，取得了明顯的效果。通過(guò)精密數(shù)控編程，精確控制切削力，切削速度，切削深度等參數(shù)，使加工精度大幅提高。同時(shí)，數(shù)控技術(shù)還可以對(duì)加工過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修正加工誤差，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2 銑削加工過(guò)程有限元分析

在加工形狀復(fù)雜的薄壁殼零件時(shí)，確保加工精度和防止零件變形是制造商面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的裝夾裝置通常由于裝夾力的不均勻或偏差，導(dǎo)致加工精度不準(zhǔn)確和零件變形的問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。與此同時(shí)，數(shù)控加工雖然在提高加工效率和精度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其通常依賴于歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行加工參數(shù)的設(shè)置。然而，由于薄壁殼零件的形狀復(fù)雜性和材料特性，這種依賴歷史數(shù)據(jù)的方法通常無(wú)法達(dá)到預(yù)期的加工精度。為了解決上述問(wèn)題，利用ABAQUS 軟件對(duì)數(shù)控加工過(guò)程中出現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象進(jìn)行了模擬分析。利用模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具性能及銑削工藝參數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與優(yōu)化。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要實(shí)際加工，就可對(duì)加工數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，從而節(jié)約了大量的時(shí)間與成本。同時(shí)，利用有限元方法，獲得準(zhǔn)確的銑削力與應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，可為后續(xù)研究及工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

2.3 加工工藝制訂

6061 鋁合金復(fù)雜零件的加工過(guò)程面臨著多重挑戰(zhàn)，主要是由于其外形設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及高精度要求。這些特點(diǎn)導(dǎo)致在加工過(guò)程中裝夾難度大，且型腔內(nèi)部的切削量相對(duì)較大，從而增加了整體的加工難度。為了確保最終產(chǎn)品的加工質(zhì)量，必須科學(xué)地制訂并執(zhí)行詳細(xì)的加工工藝。首要步驟是對(duì)毛坯料進(jìn)行初步處理，確保去除多余的部分，并為后續(xù)的精細(xì)加工預(yù)留適當(dāng)?shù)臍堄嗔?。這一步驟對(duì)于整體加工流程至關(guān)重要，可為后續(xù)多次銑削打下基礎(chǔ)。為了防止在加工過(guò)程中零件出現(xiàn)不必要的變形，本研究建議采用分階段銑削的策略，具體包括粗銑、半精銑和精銑3 個(gè)主要步驟。這種方法能夠逐步接近最終的形狀和尺寸，減少每次切削的深度和廣度，從而降低零件變形的風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)加工流程中，刀具的選擇至關(guān)重要，為了做出最佳選擇，應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際加工方案進(jìn)行綜合考慮。刀具的選擇需要根據(jù)6061 鋁合金的材料特性以及加工精度要求進(jìn)行。初步建議選擇鋼制刀具，因其具有較好的耐磨性和切削性能。在粗加工階段，為了提高效率，應(yīng)選用大直徑的刀具，而在精加工階段，為了確保精度，應(yīng)換用更為精準(zhǔn)的刀具。在銑削加工過(guò)程中，各步驟切削參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 加工方案驗(yàn)證

本研究借助DMU50 數(shù)控加工中心，對(duì)所制訂的加工方案進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。在實(shí)踐過(guò)程中，先將相關(guān)的加工參數(shù)、精度要求以及其他加工需求等詳細(xì)信息預(yù)先編入數(shù)控加工中心的系統(tǒng)軟件中。這一步驟至關(guān)重要，因?yàn)槠浯_保了加工過(guò)程的精確性和可重復(fù)性。完成編程后，系統(tǒng)軟件根據(jù)輸入的信息自動(dòng)生成詳細(xì)的加工程序。該程序不僅明確了加工的具體步驟，還優(yōu)化了加工路徑和加工工藝，從而提高了加工效率和精度。在確定了加工程序后，啟動(dòng)DMU50 數(shù)控加工中心，讓其按照預(yù)定的程序自動(dòng)完成整個(gè)加工過(guò)程。這種自動(dòng)化的加工方式不僅減少了人為操作的誤差，還大幅提高了生產(chǎn)效率。為了驗(yàn)證加工效果，本研究特別選取了零件上的兩處關(guān)鍵位置作為研究對(duì)照組。在加工完成后，對(duì)這兩處位置的尺寸參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的采集和記錄。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的對(duì)比分析，并將最終的檢測(cè)結(jié)果整理，見(jiàn)表2。

綜上所述，通過(guò)深入分析和實(shí)際案例的探討，可明確地看到數(shù)控加工技術(shù)在提升易變形薄壁殼零件加工精度方面的顯著效果。在應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)之后，這類零件的加工精度得到了大幅提升，這得益于數(shù)控技術(shù)的高精度和高穩(wěn)定性。同時(shí)，本研究還通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了優(yōu)化后的夾裝裝置和銑削參數(shù)在預(yù)防加工變形問(wèn)題上的有效性。這些改進(jìn)措施顯著降低了加工過(guò)程中零件的變形風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步保證了加工質(zhì)量。因此，可得出結(jié)論：科學(xué)地運(yùn)用數(shù)控加工技術(shù)，結(jié)合優(yōu)化的夾裝裝置和銑削參數(shù)，對(duì)于提升易變形薄壁殼零件的加工精度和保證加工質(zhì)量具有積極的推動(dòng)作用。不僅為當(dāng)前的加工實(shí)踐提供了有益的指導(dǎo)，也為未來(lái)的技術(shù)研究和創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 易變形薄壁殼零件數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 科學(xué)設(shè)計(jì)加工工藝

數(shù)控仿真分析對(duì)易變形薄壁殼零件加工至關(guān)重要，通過(guò)計(jì)算確定加工中的載荷與應(yīng)變，可為工藝設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，預(yù)測(cè)變形原因以優(yōu)化方案，保障品質(zhì)。數(shù)控技術(shù)可減少人為誤差，智能系統(tǒng)精確控制刀具參數(shù)和切削條件，可確保質(zhì)量與效率，實(shí)現(xiàn)加工一致性和可重復(fù)性。

3.2 合理完成零件裝夾

零件裝夾是確保加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵工序，需根據(jù)零件特性精確控制裝夾裝置，包括慣性力、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和夾具懸伸長(zhǎng)度。這確保了加工穩(wěn)定性和精度，并減少了脫模與夾具損壞風(fēng)險(xiǎn)，可延長(zhǎng)夾具使用壽命，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效加工。

3.3 科學(xué)落實(shí)走刀控制

對(duì)薄壁工件進(jìn)行切削時(shí)，對(duì)切削角度及切削力的科學(xué)控制十分重要。這種精確控制既能保證生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，又能達(dá)到降低成本的目的，最大限度地提高生產(chǎn)效率?？紤]到薄壁殼體的特殊性，在切削加工中應(yīng)優(yōu)先選用主偏角為90°的刀具。這種選擇有利于降低徑向切削力，從而減少加工誤差，提高加工精度。在確定刀具軌跡及切削速度時(shí)，應(yīng)綜合考慮多種因素。其中，工件表面粗糙度及主軸旋轉(zhuǎn)速度是確定最佳切削參數(shù)的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步優(yōu)化加工工藝，提高加工質(zhì)量，降低材料浪費(fèi)及能耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章聚焦于薄壁零件在數(shù)控加工中的變形問(wèn)題，通過(guò)深入研究，驗(yàn)證了銑削參數(shù)調(diào)整與夾緊裝置優(yōu)化的有效性，從而確認(rèn)了所提出改進(jìn)措施的可行性。為了更全面地實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，未來(lái)還需對(duì)刀具磨損情況和機(jī)床精度進(jìn)行更深入的研究，以持續(xù)推動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步，為薄壁零件的高精度加工提供更完善的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚文凱，郭才權(quán). 基于數(shù)控車削的錐形薄壁零件加工[J].機(jī)械，2015，42（8）：35-36，72.

[2] 王少紅. 航空薄壁零件的銑削加工變形控制研究[D]. 大連：大連交通大學(xué)，2008.

[3] 陳剛. 數(shù)控銑床易變形薄壁零件的加工[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（21）：128-129.

[4] 胡闖. 淺析復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁異形零件數(shù)控加工技術(shù)[J]. 成功：中下，2013（24）：197.

[5] 譚彬彬. 薄壁零件數(shù)控車工加工工藝[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（14）：100.