薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進方法綜合分析

薄壁零件是一種金屬屬性的零件，其壁厚通常不超過 1mm ，其特點是重量較輕，材料使用較少，而且結(jié)構(gòu)也比較緊湊。薄壁零件的用途廣泛，特別是在工業(yè)上。然而，在實際薄壁零件數(shù)控加工中，由于刀具和加工工藝等因素的影響，對其數(shù)控加工的質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，使產(chǎn)品不能滿足市場要求，造成各種資源的浪費。因此，需要對薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量進行改進。

一、薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進中存在的問題

(一)加工精度提高問題

在薄壁零件數(shù)控加工中，零件裝夾是提高其加工工藝質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。零件壁薄，在夾緊力的作用下，在加工切削過程中容易出現(xiàn)薄厚不一的情況，而彈性較差，零件外形難以自行恢復(fù)。若零部件裝夾位置不過關(guān)，會產(chǎn)生脫夾的問題，影響零件加工精度。另外，在對零件進行加工時要對裝夾具和夾緊裝置本身的基本情況進行嚴(yán)格控制，保證裝夾的剛度、加工方向與應(yīng)力作用的分析符合規(guī)范，否則，在隨后的薄壁零件數(shù)控加工中，很可能會發(fā)生薄壁零件變形，從而降低加工質(zhì)量。

（二)刀具切削角度改善問題

在切削過程中，刀具與零件的高速摩擦?xí)纬汕邢鳠?，在這種熱的綜合影響下，很容易發(fā)生彈性變形、振動、塑性變形，所以，在選擇工具時要綜合考慮加工個面的精度要求、形狀特征等方面的因素。另外，在加工過程中要根據(jù)加工余量的差異選用相應(yīng)的工具，以降低切削力，提高工作效率，減少零件變形。

一般情況下，刀具切削角度、進給速度等會對刀具的切削角度改變造成影響。在此過程中，如果在選擇時，刀具前后角發(fā)生改變，則將直接導(dǎo)致在加工中發(fā)生變形。當(dāng)后角變小問題發(fā)生時，會導(dǎo)致較大的摩擦問題，對薄壁零件的切削效果造成影響。通常情況下，在保證刀片的強度的前提下選取更大的前角，這樣既能把刀尖打磨得更銳利，又能減小切割變形，讓切屑順暢地排出，減小切削力，降低切削溫度。在粗銑削過程中，因為進給大的切削負荷較重和發(fā)熱量較高，需要良好的冷卻環(huán)境，所以，要選用后角較小的刀面。在精銑削過程中，為了減少切削與被切削面之間的摩擦力，減少切削時的彈性變形，要選用后角較大的刀面。為了保證銑削過程的平穩(wěn)性，減小銑削時的切削力，在加工過程中，要盡量選取較大的螺桿角度，減少銑削力，有利于冷卻系統(tǒng)的散熱，降低加工區(qū)域的平均溫度。另外，在數(shù)控加工過程中，如果薄壁零件的切削角度出現(xiàn)問題，將會嚴(yán)重影響數(shù)控加工的精度。基于以上研究，需要進一步提高數(shù)控加工工藝質(zhì)量，才能有效地實現(xiàn)對切削力的控制。

（三）走刀方式運用問題

在薄壁零件的數(shù)控加工中，走刀選擇是非常重要的環(huán)節(jié)。由于零件質(zhì)地輕薄，切削過程中由于徑向力的作用，會引起零件的受熱變形，從而使零件的尺寸不準(zhǔn)確。特別是在零件數(shù)控加工過程中，需要對走刀及其軌跡進行合理的配置和修正，保證其在特定的生產(chǎn)過程中刀具可以連續(xù)、嚴(yán)格地根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)要求執(zhí)行走刀加工。另外，在一些生產(chǎn)車間，沒有對走刀模式進行有效的設(shè)計和分析，對新的走刀模式的研發(fā)工作沒有給予足夠的關(guān)注，這嚴(yán)重影響后期薄壁零件的數(shù)控加工工藝質(zhì)量2]。

二、薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進方法

（一）對裝夾方案進行優(yōu)化

隨著薄壁零件的數(shù)控加工工藝質(zhì)量提升已成為加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要環(huán)節(jié)。特別是在精密儀器等領(lǐng)域，薄壁零件的加工精度和質(zhì)量的提高，直接影響著整個結(jié)構(gòu)的綜合性能及使用壽命。為了改善零件的加工工藝質(zhì)量，對夾具進行優(yōu)化是一項非常重要的工作。一是盡量使設(shè)計基準(zhǔn)、技術(shù)基準(zhǔn)和程序設(shè)計基準(zhǔn)達到一致；二是使零件的各道工序盡可能地集中化，從而減小裝夾的數(shù)量，使零件一次裝夾就可以完成所有零件的切削；三是克服人工調(diào)試耗時、占用機床人力調(diào)試周期較大的問題；四是夾緊力的施加位置應(yīng)在零件具有良好剛度的位置。傳統(tǒng)的薄壁零件由于壁薄和剛性差，在切削力的作用下容易發(fā)生變形，從而影響加工精度。因此，采用先進的裝夾工藝是解決該問題的關(guān)鍵。

比如，在機械加工中采用輔助支持裝置，可以大大提高零件加工的穩(wěn)定性。利用零件特定外形設(shè)計，對支撐點進行了準(zhǔn)確的計算，使支撐點的受力均勻分布，減少其變形。采用有限元法，對薄壁零件成形過程中的受力情況進行仿真預(yù)測，并采取優(yōu)化裝夾方案。通過對各裝夾持點的夾持力大小及方向進行準(zhǔn)確計算，保證零件在加工過程中的穩(wěn)定性，減少了由于夾持力不足而造成的變形。

(二)切削參數(shù)優(yōu)化

從零件的特性和實際生產(chǎn)情況來看，采用從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的環(huán)形刀具進行銑削，可以獲得較好的切削效果和較低的應(yīng)力水平。從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的環(huán)形刀具路徑加工出的刀具強化度、加工表面粗糙度、加工后的殘余厚度都比較低。在精整過程中，以小進深、快進刀為準(zhǔn)則，利用數(shù)控高速加工技術(shù)，對精整過程進行精密切削，并對精整余量進行適當(dāng)?shù)墓浪?，并選用合適的工具以減小零件的大余量裁切，減小應(yīng)力變形。

針對高效加工方面，被加工材料、切削用量與切削刀具是三個主要因素。這些因素直接影響刀具的加工時間、加工質(zhì)量及刀具耐用度。經(jīng)濟與高效的加工方法需要對加工工藝參數(shù)進行適當(dāng)?shù)倪x擇。編程人員在對切削量進行確定時要依據(jù)工具的耐用性及設(shè)備使用說明來決定各步驟所需的切削參數(shù)。還可以根據(jù)生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗采用類比法來決定加工參數(shù)。在選擇切削參數(shù)時要確保刀具能夠完成零件加工，或者確保刀具的耐用度不少于一個工作班。在保證刀具剛性的前提下盡量使背刀量與零件的切削余量相等，降低刀具的走刀頻率，達到提高切削效率的目的。對具有高質(zhì)量與高精度的零件，應(yīng)預(yù)留一定的精加工余量，采用CNC加工時，其精加工余量要小于普通機床。

近年來，在制造領(lǐng)域，改善薄壁零件的加工工藝質(zhì)量，必須對其切削參數(shù)進行優(yōu)化。對切削用量進行更精確的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最優(yōu)的加工效果。合理增加刀具前、后角是實現(xiàn)最佳切削用量的重要手段。當(dāng)前傾角增加時，刀具的接觸面會變小，切削力也會相應(yīng)地下降，這樣就可以減少切削變形，有利于抑制積屑瘤的產(chǎn)生，從而改善加工工藝質(zhì)量。增加切削前角可以增加切削工具的抗磨損性能，延長切削壽命。利用高速切削等方法，對薄壁零件進行數(shù)控加工，可以提升加工效率。高速切削有效地降低零件及工具在切削時的變形，改善加工精度與表面質(zhì)量。對高速切削速率等參數(shù)精確控制，達到小切削力與高速切削的優(yōu)化。

（三)對加工路徑進行改進

加工路徑是保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要因素，通常要按照先主后次、基準(zhǔn)面先行的原理，采用小進給量的高速切削方式，這樣可以減少切削過程中所承受切削力，并將大量切削熱通過高速拋出的碎屑達到降溫和減少熱變形的目的。與常規(guī)加工相比，CNC加工中心提升的高速度切削，可以免去其他工序如半精加工等工序的工時，進一步減少零件的制造周期，提升生產(chǎn)效率。薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量提升已成為加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要環(huán)節(jié)。其中，工藝路線優(yōu)化是提高生產(chǎn)效率與降低成本的重要手段。常規(guī)薄壁零件通常采用逐層切削或分步切削的方法，不僅耗時長，而且易造成刀具磨損加劇，影響加工精度與質(zhì)量。而采用一次切削的方法，通過對刀位軌跡的合理規(guī)劃，實現(xiàn)對大量多余金屬的均勻去除，可以有效解決以上問題。

例如，某家航空發(fā)動機加工薄壁葉片采用一次性粗加工技術(shù)。利用智能對零件的幾何特性進行深度學(xué)習(xí)，對加工路徑進行改進。通過應(yīng)用，該切削方式可以減少 30% 的工具耗損率，并且可以節(jié)省 25% 的加工時間。同時，通過減少刀具更換及軌跡調(diào)節(jié)，使零件的加工精度提高 15% 以上，從而使零件的總體質(zhì)量及一致性得到明顯改善。優(yōu)化切削軌跡是指在保證零件幾何精度的同時，盡量減小刀具的應(yīng)力改變，減少刀具磨損，并提高刀具的使用壽命。比如，使用曲線過渡，避免突然轉(zhuǎn)向，并合理地計劃進給速度。利用計算機輔助制造（ComputerAidedManufac-turing，CAM)軟件，將AI算法與CAM軟件相結(jié)合，實現(xiàn)對薄壁零件加工路徑的優(yōu)化。該軟件能依據(jù)材料的硬度和零件外形等，對刀具軌跡進行自動化調(diào)節(jié)，保證刀具的受力均勻。應(yīng)用該方法可以使工具使用壽命提高 40% ，而加工表面粗糙度下降 20% ，從而提高了生產(chǎn)效率]。

(四)輔助支撐和冷卻

薄壁零件的數(shù)控加工工藝質(zhì)量提升，還需要對傳統(tǒng)加工工藝進行精細改造，而輔助支承和冷卻方式的優(yōu)化是提高其加工精度和效率的重要手段。薄壁零件由于其自身的結(jié)構(gòu)特性，在切削時容易產(chǎn)生較大的變形，從而對零件的尺寸精度及表面質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。要解決這一問題，必須在支架內(nèi)填充填料。比如，將低熔點易剝離的物質(zhì)，如石蠟等注射到薄壁零件內(nèi)，可以有效提高零件的剛度，抵御切削力導(dǎo)致的變形。

例如，某航空發(fā)動機的薄壁葉片，其內(nèi)部支承材料為石蠟。通過對充填量和定位的準(zhǔn)確計算，使高速銑削時葉片的變形減少 30% 。在加工結(jié)束后，采用加熱設(shè)備將石蠟熔化排放，從而保證葉片的最終尺寸精度為 ±0.02mm ，較無支承材料時的質(zhì)量提高了一倍。切削時的高溫是造成零件熱變形和刀具磨損加劇的重要因素。因此，通過合理的冷卻方式，可以對切削面溫度進行有效的調(diào)控，提高加工工藝質(zhì)量。在現(xiàn)代化數(shù)控機床中，常使用高氣壓的冷卻方式，如通過噴頭將冷卻液準(zhǔn)確地噴入零件的接觸點，帶走切削熱，并通過對冷卻的壓力與流量進行動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最優(yōu)的冷卻效果。比如，鋁合金薄壁零件采用冷卻技術(shù)，實現(xiàn) 20±2^°C 的冷卻，使其熱變形降低45% ，工具使用壽命提高 25% 。改進后的冷卻效果可以使加工周期縮短 10% ，大大提高了加工效率，降低了加工成本[4。

(五）工藝優(yōu)化

薄壁零件的數(shù)控加工工藝質(zhì)量提升方式發(fā)生了革命性變化，利用算法技術(shù)進行工藝優(yōu)化，可以提高其加工效率和精度。該方法利用高級算法，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，可以對工藝加工過程進行智能監(jiān)測和動態(tài)調(diào)節(jié)。采用高精度傳感技術(shù)和人工智能監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對機床振動頻率、溫度等參數(shù)的實時采集。將采集的加工數(shù)據(jù)實時傳送至邊緣計算平臺，通過智能算法對加工過程進行快速分析和處理，進而對加工工藝進行動態(tài)優(yōu)化。比如，在鋁合金薄壁零件加工中，通過對切削力的實時反饋，實現(xiàn)對刀具進給速度和切削用量的動態(tài)調(diào)節(jié)，在保證高效率的前提下減少由于工藝參數(shù)不合理而造成的零件變形和損傷。

比如，某家汽車企業(yè)在對薄壁零件進行實時監(jiān)測和優(yōu)化后，其精度提高了 20% ，而生產(chǎn)率提高了15% 。還可以根據(jù)零件的幾何特性、機床特性，對加工軌跡進行規(guī)劃。利用深度學(xué)習(xí)算法對切削數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，在各種工況下合理選擇刀具路徑，并有效地規(guī)避傳統(tǒng)的刀具路徑選擇中的碰撞等問題。比如，在曲面薄壁零件加工中，利用AI算法生成的軌跡較手工設(shè)計軌跡可以減少 30% 的無效移動，大大縮短了加工時間，同時也大大減少了刀具損耗。通過對切削時間量和冷卻狀態(tài)等數(shù)據(jù)的分析，可以對其進行精確的預(yù)測，并對其將來的磨損趨勢進行預(yù)測。在檢測刀具接近“臨界磨損\"時，能及時提示操作者進行相應(yīng)的更換，有效地降低刀具的磨損。同時，還可以通過對表面質(zhì)量的預(yù)測，預(yù)先調(diào)整工藝參數(shù)或者選用適合的刀具，從而保證零件質(zhì)量符合相關(guān)要求。

結(jié)語

在薄壁零件加工中，其工藝質(zhì)量受多種因素的影響。因此，需要對其進行科學(xué)分析和判斷，采取有效的改進方法。技術(shù)人員要對薄壁零件加工工藝進行優(yōu)化和改進，使其加工工藝精度和質(zhì)量得到進一步的提升，降低加工成本，提升加工效率，從而促進數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻：

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[5]滕天馨，劉彩軍，孫偉，張賀東，李磊.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量問題及改進策略分析.中國設(shè)備工程，2024(15):123-125.

作者簡介：董喆（1984.05—），男，漢族，河南蘭考人，本科，數(shù)控高級技師，三級技能專家，研究方向：數(shù)控大型薄壁零件制造與加工。