薄壁零件数控加工工艺质量改进方法

陈 祥

(江苏省高淳中等专业学校,南京 211300)

0 引言

分析薄壁零件数控加工工艺发现,很多因素会对零件尺寸、精度及质量产生影响(如装夹机构、切削工艺、走刀方式、工艺路线等)。为提高薄壁零件的加工精度,确保零件整体质量达标,应在分析影响因素的基础上采取有效的方法及措施,对加工工艺进行优化改进。薄壁零件是由薄型板材与加强筋条构成的轻量化金属材料结构零件,壁厚不超过1 mm,且壁厚与内径曲率半径比值不超过5%。薄壁零件类型主要有完整结构件、板类零件、圆筒形等,具有用料少、质量轻、体积小、结构紧凑、实用性强等优点,在工业制造领域得到了广泛的应用。大批量生产薄壁材料可采用数控加工技术,以提高加工精度及生产效率。但其存在刚性弱、强度低、抗变形能力差等物理力学性能缺陷。如果薄壁零件出现变形,将导致无法正常装配,降低使用价值,故在薄壁材料加工过程中,需通过试验确定工件装夹、刀具几何参数、切削工艺、程序编制、环境温度及零件材料初始残余应力等参数,消除引发零件变形的不利因素,保证加工精度[1]。

1 影响薄壁零件数控加工工艺质量的因素

1.1 装夹固定

金属材料刚度是影响薄壁零件加工精度的重要因素,加工过程中要综合考虑零件受力与应力变形情况,将夹具夹在特定的位置,通过固定零件来避免发生形变。但在数控加工中,仅采用装夹方式固定零件无法彻底解决变形问题,故可采用增厚材料涂层的方式增强零件装夹后的稳固性,加工后再清除涂层。但这种方式会降低加工精度,尤其是在加工外型复杂的薄壁零件时,采用装夹方式固定零件材料容易出现滑动,导致薄壁零件受力不均匀。

1.2 切削参数

数控加工薄壁零件时,切削参数设定对零件切削精度影响较大,适当改变切削前后角度能够减小零件形变量,降低切削过程产生的摩擦力,将零件尺寸误差控制在允许值范围内,达到加工精度要求。切削参数包括切削速度、进刀速度及切割宽度。切削不同金属材料零件需设定不同的切削参数,根据多次试验确定摩擦力大小,掌握材料加工变形情况,对数控机床切削加工工艺进行改进,以满足薄壁零件精度控制要求。

1.3 走刀方式

传统的薄壁零件加工多以粗刀一次性加工为主,通过后期加工修正偏差。这种加工方式限制了走刀路径,难以满足复杂结构零件的加工要求,无法精确控制零件精细部分的尺寸。粗刀一次性加工会增加后期修正的难度,提高加工成本,影响生产效率。为解决这一问题,需在数控加工中改进走刀方式及路径选择,在零件加工未发生变形时调整走刀,减少后期修复次数[2]。

1.4 工序工艺

数控加工工艺是提高薄壁零件精度的重要保障,加工过程中要了解金属材料性能及变形规律,综合考虑变形参数,优化设计加工工序与工艺路线。目前,机床加工大多沿用传统的工艺路线,由于长期未更新工艺流程,很少引入新技术,故而难以满足高精尖薄壁零件加工需求,导致加工零件存在着质量参差不齐的情况,阻碍了加工制造业的发展。

2 数控加工工艺质量的改进方法

2.1 提升零件装夹工艺

装夹对薄壁零件数控加工工艺质量有一定的影响,为确保加工质量达标,应采取有效的方法及措施,对装夹进行优化改进。加大薄壁零件装夹生产管理力度,防止因操作失误引发质量问题,全面优化各项技术参数,控制装夹质量,从而满足薄壁零件数控加工生产要求,具体的优化改进方法如下:

优化装夹结构。采用数控机床加工薄壁零件时,在主轴回转的带动下,装夹会随之一起回转,为使装夹重心在整个加工过程中与主轴端部紧贴,要对重心加以控制,使惯性力与回转力矩的大小达到数控加工精度要求。

控制悬臂长度。研究结果表明,数控机床主轴的悬伸长度与刚度成反比,即悬伸越短刚度越高,反之则越低。薄壁零件数控加工中,悬臂长度应取较小值,以保证其刚度。实际生产中,可按数控加工精度要求控制机床主轴的悬臂长度。例如:加工薄壁套时,管外径D=63 mm,主轴悬臂长度L与D的比值应小于1.25,由此得到的悬臂长度刚度最高[3]。

平稳连接。装夹与主控机床之间的连接是否平稳,直接关系着薄壁零件加工质量。优化改进过程中,应尽可能消除影响二者稳定连接的因素,确保零件加工精度达标。

增强装夹机构的性能。应遵循安全性、耐久性、可靠性等原则,合理选择装夹机构,在确保其刚度及强度的前提下增强其夹紧力,避免加工过程中发生脱夹等问题。耐久性高的装夹机构,其变形损坏几率相对较低,使用寿命较长。

2.2 改进切削工艺

研究表明,薄壁零件加工后的变形量主要与切削工艺有关,可对切削工艺进行优化改进,以达到控制变形的目的,具体措施如下:

合理确定轴向切深。数控切削加工中,切削力的大小主要与切削深度有关,二者之间成正比关系,即切削深度增大切削力随之增大。应以确保切削效率为基础,使切削深度达到最小,从而减小刀具的切削力,降低零件变形量,使其达到质量标准的允许范围[4]。

控制进给速度。进给量是影响薄壁零件加工精度的主要因素,若是每齿进给量范围合适,则在该范围内的进给量数值变化不会对加工尺寸精度造成影响,且每齿进给量对切削力的影响与对薄壁零件尺寸变化的影响趋同。薄壁零件的材质以铝合金居多,切削加工时产生的热量会引起材料的化学变化,从而生成一种新的物质,附着于薄壁零件表面的硬化层,当每齿进给量较小时,会导致切削过程一直在硬化层进行,导致切削力增大,剪切滑移中的切削会被挤压所代替,过大的切削热量会对刀具的使用寿命造成不利影响,因此要严格控制进给量,令其保持在0.22 mm/z左右,这样产生的残余应力最低,对薄壁零件加工质量的影响最小。

优选走刀路径。切削加工时,刀具路径对加工精度有一定的影响。为使该影响降至最低,应对走到路径进行优选。编制切削工艺时,应以薄壁零件结构作为走刀路径选择的依据,按照如下方式选取刀具路线:保证薄壁零件刚度最弱部位受力最小,防止出现让刀的情况,确保加工精度达标。实践表明,对称加工对预防切削变形的效果较好,可将对称加工作为首选,如图1所示。

图1 走刀路径中的对称加工

刀具通常会在零件表面做快速移动,因此进退刀方式是影响零件加工质量、刀具磨损程度及操作安全的关键因素。应对刀具进退刀方式进行优化,提高加工质量,减轻刀具磨损,延长使用寿命,确保操作安全。数控加工薄壁零件轮廓及侧壁时有两种进刀方式,即线性和圆弧。数控机床软件程序通常会将进刀方式选为直线,退刀方式选为圆弧,加工后的零件表面可见清晰的刀痕,如图2所示。优化后,将进刀方式改为圆弧,零件表面质量可得到大幅度提升,如图3所示。与线性进刀相比,在圆弧进刀方式下,刀具的运行轨迹更加顺畅,在提高零件表面质量的同时,刀具得到了一定程度的保护,使用寿命进一步延长。

图3 进刀方式优化后的加工效果

薄壁零件型腔结构铣削常用的加工方法为行切法与环切法,采用这两种方法加工能够在不伤轮廓、不留死角的情况下完成整个内腔面积的切削。但行切法加工会在进给起止点处留下未切掉的金属,对零件表面质量造成影响。环切法的加工轨迹要比行切法更加平稳,粗糙度低。为确保零件切削过程的连续、平稳,避免切削力突变,可将环刀法作为首选,刀具移动方式调整为圆弧移刀[5]。

加工过程中对高度的控制需采用平面铣削的方式,其特点是刀具轨迹简单,便于操作。平面铣刀最佳直径为切削宽度的1.5倍,铣削零件平面时,刀具有两种切削路径,即单向和往复,其中往复铣削刀具走S形路线,整个加工过程刀具只会抬起一次,减少了走空刀的时间,铣削用时少。但从加工后的零件表面来看,光洁度略低于单向铣削方式。单向铣削能够获得表面质量较高的零件,但其每次走刀都要抬刀,导致铣削过程用时较长,生产效率降低。为实现优化的目标,可将这两种方式结合运用,达到最优。

2.3 改进工艺方案

薄壁零件数控加工对精度要求较高,为提高零件加工精度,应对工艺方案进行优化改进,具体如下:薄壁零件要在数控铣床上对外表面进行加工,根据设计要求完成钻孔。对零件端面进行粗加工,利用热处理中的退火工艺消除零件应力,再转入精铣工序。防止新的加工应力引起零件变形,粗加工与精加工应开展铣削,通过反复消除,使零件中的残余应力得到充分释放,消除刀具参数、载荷布置等因素对零件加工质量的影响,以得到质量达标、精度合格的薄壁零件[6]。

3 结束语

数控加工是薄壁零件加工的主要生产方式,故加工工艺是影响零件质量及精度的关键因素。为满足应用需求,应分析影响薄壁零件加工工艺质量的因素,采取有效方法及措施,对加工工艺进行优化改进,令薄壁零件整体质量达到标准要求。