数控加工薄壁零件加工方法及工艺改进研究

潘晓晶

（常州科技经贸技工学校，江苏 常州213000）

在数控加工技术取得快速发展的背景下，薄壁零件加工需要达到更高水平，满足零件高精密加工要求。但从实际加工情况来看，薄壁零件加工将受到装夹、走刀等各种因素的影响，还要结合零件具体加工特点与要求提出科学的加工工艺，以便使零件加工质量得到保证。因此，还应加强薄壁零件数控加工方法及工艺改进研究，从而通过优化工艺严控加工精度。

1 数控加工薄壁零件的加工方法分析

1.1 加工流程

薄壁零件壁厚不超1mm，整体结构紧凑，带有刚性差、强度弱的特点，加工过程中容易发生变形，需要通过改进工艺保证加工质量。相较于传统加工工艺，采用数控技术进行薄壁零件加工，通过科学设计加工流程能够使加工误差出现的可能性得到有效降低，从而使零件生产质量得到保证。从数控加工流程上来看，可以划分为粗加工、半精加工、精加工三个阶段。对零件进行粗加工，需要结合零件类型、特点进行工艺选择，如加工薄壁套通常采用粗铣外圆等工艺方法[1]。在完成零件初步加工后，可以进行半精加工，处理薄壁零件次要表面，使其精度达到加工要求。对多余部分进行去除，能够使薄壁零件加工质量得到提升。在精加工阶段，需要实施细加工，如采用精铣外圆等方法确保加工精度能够完全达到设计要求。薄壁零件通常拥有复杂结构，在数控加工中将面临变形控制的难题。因此，在数控编程前，需要通过建模对加工路径、参数等进行分析预测，提出科学加工方案，使变形量得到有效控制。

1.2 加工方法

1.2.1 工艺设计

实际在对薄壁零件进行数控加工时，需要完成数控仿真分析，对零件在加工过程中承受的负载阵列和变形关系进行确认，为工艺方法设计提供指导。按照F=KU 这一公式，能够对工艺展开分析。其中，F 为薄壁零件承受负载阵列，K 和U 分别为轻度矩阵和加工变形情况。对F 值进行降低，对K 值进行提高，能够起到提高零件质量的作用。而合理选择材料使零件强度得到增强，能够对K 和F 数值进行调整，达到采取适合工艺方法的目标。通过仿真分析，可以找出所有造成零件变形的原因，结合受力情况提出改进加工方案，使零件加工质量得到保证。结合数控加工实践可知，零件变形和表面加工精度主要受切削力影响。在以铣刀做主运动的过程中，一般保持高速旋转，使零件做进给运动[2]。伴随着零件供给和刀具旋转运动，二者间的切削位置将时刻改变，导致零件承受不同切削力。对加工过程进行仿真分析，采取科学加工方法，才能使多余材料得到切削的同时，有效控制加工质量。利用有限元模型进行铣削力加载，并对刀具几何参数、切削量等不同工艺条件进行设定，然后对不同参数条件零件变形情况进行观测，能够对切削力大小做出精准判断。从控制零件变形度的角度出发，对各种工艺参数条件进行调整，最终能够提出科学工艺方法，使零件加工质量得到保证。

1.2.2 零件装夹

对零件进行加工，需要保证装夹紧凑、悬深较短，以便使惯性力和回转力矩得到有效控制[3]。因为装夹将随着主轴旋转，加强重心控制使其紧贴主轴顶端，才能使惯性力得到有效控制，避免回转力矩过大，使加工精确度得到提升。根据零件情况进行悬深长度选择，应确保伸长度能够达到加工要求。确保装夹强度、刚度达到要求，能够避免出现脱夹、装夹损坏等问题，使装夹机构具有耐久性和安全性，使零件与机床较好契合。此外，还应避免因平衡或配重问题造成装夹振动，合理进行减重孔或配重块选择，能够使装夹维持平衡，回转时不会受到过大离心作用，以免加工误差过大。

1.2.3 走刀控制

在薄壁零件切割时，需要合理选择切割角度，保证切割前角度和后角度适合，只需较小力就能达到加工要求，以便使零件变形得到有效控制[4]。薄壁零件强度较弱，通常需要沿着壁侧向90°方向进行主偏角切割，使零件摩擦受损得到减少。在走刀路径和切削量控制上，还应结合表面粗糙度、主轴转速等展开分析。如在薄壁套表面外圆加工时，根据粗糙度可以划分为粗铣、半精铣和精铣，然后结合表1 对切削量进行确认。根据切削量对路径进行合理规划，粗加工可采用阶梯式加工方法。如采用十二走刀路径，使刀具沿着X 和Y 向平移，可以将多余材料去除。适当增加刀具前后角，使摩擦和变形力得到有效控制，能够降低零件变形几率。

表1 切削用量选择表

2 数控加工薄壁零件的加工工艺改进

2.1 零件加工概况

如图1 所示，某薄壁铝合金筒类零件为典型通孔类箱体，零件长370mm。在零件加工方面，需要完成Ф300mm 外圆加工，并进行圆柱度0.032mm 内孔加工。从加工精度要求上来看，表面粗糙度达到Ra0.4μm。采用铝合金锻材进行零件加工，受材料性质、零件结构等因素影响，容易发生变形，造成圆柱度、粗糙度等要求无法满足。在切削过程中，不仅将消耗过多能量，还将产生较高温度。而材料导热率较低，容易导致刀具出现高温问题。此外，受材料凝焊性、硬化倾向影响，容易形成积屑瘤和硬化层，中间容易发生堵塞，造成表面光洁度受到影响。

图1 零件图

2.2 工艺问题分析

根据同类型零件数控加工经验进行工艺路线安排，需要先进行粗铣加工，然后进行半精加工，最后进行精加工。在端面铣削加工完成后，可以进行内控铣削，完成内控精加工，进行表面处理。从工艺加工效果来看，内孔圆柱度可以达到0.1-0.12mm之间，表面粗糙度在0.4-0.6μm 范围内，无法达到设计要求。分析原因可知，箱体零件加工拥有较大余量，需要对80%的材料进行去除，加工过程中容易产生较大应力。在毛坯锻造阶段，零件经过热处理容易产生加工变形，造成几何尺寸和形状精度受到影响。在壁厚不断降低的过程中，结构刚性和装夹等刚性有所降低，引发了切削振动，造成尺寸公差无法得到保证。受径向切削力作用，零件发生振动和变形，不仅造成尺寸、形状受到影响，也导致表面粗糙度无法达到要求。而孔加工存在较大余量，零件在加工过程中也容易发生装夹变形，造成同轴度无法达到要求。从整体加工情况来看，出现了尺寸精度不良问题。分析问题产生原因可以发现，零件壁薄，难以承受原本夹紧力，因此出现变形情况。

2.3 工艺改进措施

2.3.1 工艺方案改进

考虑到零件加工精度要求较高，需要在数控铣床上进行外圆加工、镗孔等操作。按照先面后孔的原则进行工艺加工，需要先对端面进行粗铣，然后经热处理。采取退火热处理工序消除应力后，可以进行精铣。在精加工阶段，需要做好余量安排，避免因余量过多造成新的加工应力产生，同时避免余量过少造成内圆形状无法修正。因此在粗加工和精加工阶段，需要实施铣削加工，并通过2-3 天反复穿插去应力工序，保证应力得到充分释放。利用ansysis17.0 有限元软件进行建模，能够对数控加工过程进行仿真分析，确定刀具参数、负载列阵等因素给零件加工的影响。结合分析结果，应先完成外圆粗铣，然后进行小孔和打孔镗孔作业。为使孔粗糙度得到有效控制，精加工应保持高转速和低进给，选择较小吃刀量，并且最后进行光一刀作业。实际在零件数控加工方面，还要结合零件加工特点进行刀具、切削量等各方面具体选择，以便使加工效果得到保证。

2.3.2 加工方法改进

为保证零件加工质量稳定，还要选择专业机夹刀具进行零件加工，保证刀具刚性、稳定性、强度等达到要求，并且刀具材料与加工材料、切削参数等相互匹配。在刀具选择上，需要利用刀杆细的立铣刀进行加工，以免零件表面受刀杆损坏因素的影响。刀杆可以配置阻尼模块，对刀柄弯曲变形振动进行吸收，使零件加工保持稳定。考虑到箱体长度较大，需要利用斜导轨床身进行加工，确保行程可以满足要求，使刀架、主轴等位置定位精度控制在0.005-0.01mm 范围内。在箱体装夹方面，考虑到断面有足够面积满足装夹要求，因此变形较小，还要解决孔加工的装夹问题，利用三点扇形软爪进行结构装夹，避免因受力发生变形。

在切削控制方面，需要根据毛坯硬度、刀具材料、铣床精度、零件直径等进行切削用量的选择。在进给量、背吃刀量有所增加的情况下，切削力也将增大，造成零件产生较大变形。所以还应使背吃刀量得到减小，同时使进给量有所增加，达到减小切削力的目标。为避免工件表面产生较大残余面积，使粗糙度增加，并因零件承受内应力出现变形情况，还应在粗加工时适当增加进给量和背吃刀量，精加工阶段将背吃刀量控制在0.1-0.3mm 范围内。在精铣过程中，应保持适当切削速度，使变形得到有效控制。在镗孔过程中，需要采用与外圆铣削一致的几何角，并采用稍大后角，避免刀面过高。做好断屑槽选择，并采用负刀倾角，能够使切屑顺利排出，避免影响加工表面。此外，需要选择乳化液作为冷却润滑液，在减小切削力的同时，增强刀具耐用度，使零件表面粗糙度得到减小。通过充分使用，能够减少切削热的发生，使零件加工几何精度得到保证。

3 结论

从工艺改进效果来看，采用改进方法进行薄壁零件加工，未出现振纹、变形等问题，能够保证尺寸加工精度和表面粗糙度合格，可以满足设计要求。结合案例分析结果可知，在薄壁零件数控加工上仅凭经验提出加工方法容易造成零件加工精度不高，甚至造成零件在加工过程中出现变形、损坏等问题，导致加工质量和效率受到影响。加强数控加工仿真分析，通过分析和预测实现工艺改进，做好零件装夹和切削控制，能够通过优化工艺取得理想加工效果。