薄壁工件铣削加工变形控制

陈志

摘 要 薄壁工件结构在航空、能源传播等领域的应用十分广泛。但是薄壁工件的刚度相对较低，在对其进行铣削加工的过程中容易发生变形，铣削过程中所产生的切削力对加工精度的影响非常明显。为了保证薄壁工件铣削加工的质量，文章对工件铣削加工变形进行简要分析，并提出一些针对性的策略。

关键词 薄壁工件；铣削加工；变形控制

中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0094-01

1 铣削加工受力模型

长期以来，铣削过程建模一直是众多学者的重点研究对象，针对铣削过程的建模方法主要包括经验法、分析法及力学法等。其中，力学法的应用最为广泛。虽然力学法建立的切削力模型形式较多，但是其实质都是将切削力堪称切削过程中的几何属性及物理属性的函数。

铣削过程中的切削力主要与切削面积有关。图1所示为铣削过程切削力分析示意图，为了方便对切削力进行分析，将铣刀切削刃划分为如图所示的微单元，然后对处于切削区域的各个微单元的受力状况进行综合分析和计算，最后计算出总的切削力。

图1 薄壁工件铣削过程

铣刀切削刃微单元的切削力可以被分解为切向切削力及径向切削力，具体关系如下面公式所示：

（1）

式（1）中的DFT、DFR分别表示切向和径向切削力；D2表示微单元的轴向宽度；KT、KR表示平均切屑厚度的指数函数；tc表示微单元瞬时未变形切屑厚度。

KT、KR可以用如下公式表示：

（2）

2 薄壁工件加工变形控制试验

2.1 大轴向切深试验

选择试验机床为Micron UCP710，刀具为直径12 mm、两齿、螺旋角为45°的硬质合金立铣刀；工件试样选择2件规格相同的7075铝合金工件，工件长76 mm、宽68 mm、高20 mm。对试样1进行大切深试验，对试样2进行小切深试验，加工后的工件试样腹板厚度为2 mm。切削用量：试样1为ae=5 mm，n=15000 r/min，进给速度f=3 m/min，ap=6 mm；试样2为ae=5 mm，n=15000 r/min，f=3 m/min，ap=3 mm。进刀方式为垂直进刀，走到路径为由内向外环切。测量数据如图2所示。

（a）Y向各点变形 （b）X向各点变形

图2 不同切深对薄壁工件变形的影响

从图2中可以看出，各测量点的值均小于标准值超过20 mm，这主要是由于刀具铣削过程中的向上拉力过大所导致的。通过对比可以发现，大轴向切深方式能够充分利用到工件自身的刚性，从而实现对工件铣削过程变形的有效控制，而采用常规的小精加工余量在薄壁工件铣削加工中并不适用，这主要是由于薄壁工件在铣削过程中容易产生振动，极易影响工件的加工精度。由此可以得出大轴向切深工艺是一种有效的控制薄壁工件铣削变形的方法。但是，在采用该方法的过程中，如果轴向切深选择过大，就会增加工件的切削负荷，对工件的表面质量产生较大的影响，同时还会加快道具的损耗。因此，在满足加工精度的条件下，尽量控制轴向切深。另外，在采用该方法的过程中，可以适当地减小径向切深及进给量能够有效保持切削载荷的平衡性，以牺牲一定的效率来提高薄壁工件的加工精度。

2.2 依靠工件自身刚性进行分布环切

除了采用大轴向切深对薄壁工件铣削加工变形进行控制外，还可以通过控制走刀路径来控制加工变形。该方法主要是利用工件未加工部分对正在加工部分进行支撑，使切削区域能保持较高的刚性状态，从而实现对变形量的控制。

选择试验机床为Micron UCP710，刀具为直径10 mm、刀尖圆角半径r=1.5 mm的硬质合金立铣刀；工件试样为7075铝合金工件，工件长136 mm、宽70mm、高20 mm。加工后的工件腹板厚度为2 mm。取A框长96 mm、宽30 mm，B框长116 mm、宽50 mm，C框长136 mm、宽70 mm。精加工所选择的切削用量为ae=5 mm，n=15000 r/min，f=3 m/min，ap=3 mm。在加工过程中，将整个工件分为A、B、C三部分进行加工，按照A→B→C由外向内进行分步环切加工，总体加工的顺序依次为，A1、A2、…、An、B1、B2、…、Bn、C1、C2、…、Cn。利用该方法进行薄壁工件的铣削加工，能够使工件的加工区域在整个加工过程中保持较高的刚性状态，实现较好的变形控制效果。试验后，将加工工件与相同加工条件下采用环切、螺旋切削加工的工件进行对比。

采用分布环切工艺时，其变形控制情况明显好于另外两种加工工艺。分布环切工艺能够使工件自身的刚性得到充分利用，使工件加工区域保持良好的刚性状态，从而实现对加工变形的有效控制。

3 结论

薄壁工件的应用范围非常广泛，但是对其加工变形的预测及精度保障是长期以来困扰我国制造业的一大技术难题。通过本文的试验分析可知，采用大轴向切深及分布环切工艺进行薄壁工件的铣削加工，能够对工件加工过程中的变形实现较好的控制。两种工艺都在加工过程中都充分利用了薄壁工件自身的刚性。通过对这两种变形控制工艺的单独应用或者组合应用，对薄壁工件实际加工质量的提高具有重要意义。

参考文献

[1]万敏.薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究[J].航空学报，2005，26（5）.

[2]李忠群.圆角铣削颤振稳定域建模与仿真[J].机械工程学报，2010，46（7）.

[3]李江涛.二端连续元件动力学特性的矩阵描述法[J].振动与冲击，2010，29（9）.endprint