普通机床一刀成形加工薄壁零件
2012-02-20吴志鹏牛美英
李 明，吴志鹏，牛美英
（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）
目前薄壁零件数控加工，主要采用高速加工技术。为了保障薄壁零件有效加工，在工艺设计阶段，采用有限元分析技术，获取薄壁零件变形区域，采用数控补偿技术加以修正，以保证加工的精度；优化切削参数和加工路径，以减小变形；通过开发特制刀具及改造机床（如双主轴机床等），来解决变形问题；通过新的装夹方案和架构调整，来增强薄壁零件的刚度等措施。由于工艺的保密性，相关技术资料只涉及了问题的表层部分，薄壁零件加工技术的获取，并没有随着高速加工机床的引进而得到解决。薄壁零件的数控加工的关键技术，还要靠自己的努力发展去解决。
1 薄壁零件加工工艺关键技术
薄壁零件是指壁厚与内径曲率半径（或轮廓尺寸）之比小于1:20的零件。薄壁零件的共同特点，是壁薄、强度低、抵抗变形能力差，但并不表示薄壁零件在常态下，就会发生塑性变形，其有一定的弹性力，在某些特殊复杂的环境中，发挥其的重要作用，也可以说薄壁零件处于弹性变形阶段。
为了更好地理解薄壁零件的加工特点，我们可以将其分解成若干小段的杆件组成，即薄壁零件弹塑性变形的受力分析微分化处理。首先假设杆件处于静定梁状态，两端承载力是无限大，来源于薄壁零件支撑点的承载力，从塑性分析中，我们得知静定梁的中间部位最为严重，若刀具切削薄壁零件时，判断薄壁方向切削力F小于零件材料极限载荷
则未引起静定梁的变形，单个的静定梁处于弹性阶段。若每个小的静定梁单元是稳定的，薄壁零件作为整个系统也是稳定的，所以切削力F小于极限载荷FP的情况下，假设成立。
根据切削力F小于极限载荷FP的条件，来求解薄壁零件壁厚的最大切削量。根据最大切削量加工和加工精度要求，选择合适精加工余量，那么薄壁零件始终保持弹性变形阶段，实现薄壁零件数控加工一刀成形，从而提高加工效率。
2 切削力数学模型
实验证明，在机床加工系统和刀具几何参数确定的前提下，加工切削力F主要受到切削速度（或主轴转速）n、进给速度νf、背吃刀量ap和切削宽度（或切削高度）ae等因素的影响，且基本上成线性关系。
我们首先将相关实验数据，列成切削速度（或主轴转速）n、进给速度νf、背吃刀量ap和切削宽度（或切削高度）ae以及切削力F的正交实验数据表格，应用多元线性回归分析方法，建立切削力的预测模型和表面粗糙度的预测模型。
切削力
4 薄壁零件最大切削量
当薄壁零件处于临界条件时，背吃刀量ap取值为最大切削量apmax，
切削力为
极限载荷为
其中，
b为刀刃切削宽度在薄壁法线方向的投影；
h为薄壁零件的壁厚；
l为薄壁相邻支撑点的跨度；
σs为材料屈服极限。
则临界状态
薄壁零件壁厚的最大切削量计算得
根据薄壁零件壁厚的最大切削量和零件精度的要求，选择合适精加工余量，实施薄壁零件最后一道切削加工。
5 仿真研究
图1为3Cr2Mo注塑模具钢零件的壁厚为2 mm的薄壁部分结构图，长100 mm，表面粗糙度为Ra=1.6 μm，尺寸公差等级为IT8级。
图1 壁厚为2 mm的薄壁零件部分结构图
实验条件：铣削平面，材料3Cr2Mo注塑模具钢（调质，硬度 HRC28～30）。
刀具为直径10 mm，螺旋角30°，双刃，直柄整体式硬质合金平头立铣刀，TiAIN涂层。
实验结果如表1所列。
铣削平面（3Cr2Mo注塑模具钢）的数学模型为分列如下：
表1 实验结果表
X向切削力
表面粗糙度
Y向切削力
Z向切削力
根据表面粗糙度和加工公差等级，我们选择粗铣－精铣的加工工艺方案。
工艺参数为：
背吃刀量为ap=0.1 mm；
转速n=2 000 r/min；
进给速度νf=100 mm/min；
切削深度为ae=4 mm；
由薄壁法线方向受力公式
可以求解得：
切削力FX=75.132 1 N，
表面粗糙度Ra=0.24 μm，
符合加工粗糙度要求。
根据薄壁零件塑性变形的临界条件，其中材料3Cr2Mo注塑模具钢屈服极限
当前加工工艺参数下，薄壁零件极限载荷为：
大于切削力FX=75.132 1 N，
薄壁零件在加工中处于弹性变形阶段。
计算薄壁零件壁厚的最大切削量为：
因为apmax＞ap，所以上述加工工艺方案可行。若进一步提高加工效率，可以增加进给速度和切削深度。
6 结束语
一刀成形工艺，解决了目前薄壁零件依赖高速加工技术的高成本和技术难题，大大降低了薄壁零件加工成本，提高了效率。同样“一刀成形”工艺的提出，为普通数控机床实现薄壁零件高效率加工的提供了可行性方案。
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