高精密細(xì)長薄壁件的數(shù)控加工

■宜賓市普什模具有限公司?。ㄋ拇ā?44007）　余正江 陳 宏 唐升剛

高精密細(xì)長薄壁件的數(shù)控加工

■宜賓市普什模具有限公司（四川644007）余正江 陳 宏 唐升剛

摘要：針對(duì)高精密細(xì)長薄壁件的加工要求進(jìn)行工藝性分析，設(shè)計(jì)出工藝流程，給出各環(huán)節(jié)控制變形的具體措施，保證了加工質(zhì)量。

1. 薄壁件結(jié)構(gòu)

在航天航空、軍事及電子等機(jī)械加工領(lǐng)域，涉及各類高精密薄壁件，由于該類零件壁薄、金屬切削去除量大以及剛性較低，所以其加工過程中的變形控制是主要難題。如何減小變形，保證零件的高質(zhì)量是工藝人員追求的目標(biāo)。近年來，對(duì)該類薄壁件的數(shù)控加工工藝探討較多，但絕大多數(shù)均以鋁合金或鈦合金為主，對(duì)其他一些合金材料薄壁件的數(shù)控加工探討較少。特別是對(duì)于一些具有高耐磨性、高強(qiáng)度材料零件的研究更為有限，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和資料極少。

在加工過程中，調(diào)質(zhì)料對(duì)刀具磨損較大，易產(chǎn)生較高的切削熱，使工件表面形成一定的切削殘余應(yīng)力，造成工件一定的變形，嚴(yán)重影響加工后的尺寸精度，造成加工后零件尺寸超差，質(zhì)量難以滿足其要求。為此，能否控制或減少切削加工殘余應(yīng)力，降低刀具磨損將是提高質(zhì)量、確保產(chǎn)品精度合格的關(guān)鍵。需要我們不斷探索、總結(jié)，摸索出一套安全可靠的工藝方法。我公司接到一批典型高精密薄壁件（見圖1）的加工任務(wù)，該零件長度大、壁厚薄且結(jié)構(gòu)極不對(duì)稱，形狀公差和尺寸精度要求高。

圖1　高精密薄壁加工件

2. 工藝性分析

通過分析認(rèn)為，影響和造成工件加工變形的主要因素有如下幾個(gè)方面：①毛坯內(nèi)的殘余應(yīng)力。②切削力、切削熱。③刀具在切削過程中與工件表面擠壓產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力。④工件裝夾產(chǎn)生的應(yīng)力和變形以及滲氮處理引起工件變形。⑤機(jī)床精度、刀具磨損等。

毛坯內(nèi)的殘余應(yīng)力可以通過時(shí)效處理解決。氮化處理：由于氮化處理溫度較高，時(shí)間較長，工件也有0.05～0.08mm的變形，因此，在加工過程中，對(duì)工件平面度、平行度及尺寸精度等提出更高的要求，以補(bǔ)償后續(xù)熱處理氮化變形的影響，確保工件最終達(dá)到高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3. 工藝流程設(shè)計(jì)

加工工藝流程設(shè)計(jì)為：下料→時(shí)效熱處理→粗加工（留余量1.00mm）→調(diào)質(zhì)處理→半精加工

（留余量0.35～0.40mm）→穩(wěn)定回火→精加工→鉗工倒R及倒銳邊→滲氮處理。

表1　不同直徑面銑刀銑面變形量對(duì)比

4. 各環(huán)節(jié)變形控制

（1）毛坯殘余應(yīng)力的去除：在粗加工前，采用去除應(yīng)力處理，徹底消除毛坯內(nèi)的殘余應(yīng)力。粗加工完成后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；半精加工完成后，再進(jìn)行一次去應(yīng)力處理（此次處理不可忽視，其目的主要是去除加工過程產(chǎn)生的二次應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸）。

（2）切削加工過程表面殘余應(yīng)力的控制：38CrMoAl是一種優(yōu)質(zhì)氮化鋼，主要用于制造高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和較高強(qiáng)度、處理后尺寸精確的氮化零件。我們發(fā)現(xiàn)該零件需調(diào)質(zhì)處理（其硬度在220～250HBW）后進(jìn)行切削，對(duì)刀具磨損特別快，產(chǎn)生較高切削熱，致使工件表面形成一定的切削應(yīng)力，導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形。為了有效控制工件加工過程的變形，必須從刀具選用、切削參數(shù)以及走刀路徑等多方面進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。

2.1 鹽脅迫條件下生物復(fù)菌劑對(duì)黃瓜種子發(fā)芽及生長的影響 由表2可知，空白對(duì)照(加水)下，“苗壯素”菌液對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率、鮮重及干重影響較小。但在鹽脅迫處理下，種子發(fā)芽率提高17.5%，鮮重提高23.5%，說明“苗壯素”對(duì)黃瓜種子具有明顯的耐鹽促生作用。

為了優(yōu)化選擇刀具，采用5種不同直徑刀具進(jìn)行同條件切削加工，其情況對(duì)比如表1所示。

由表1可以看出，刀具直徑大小和背吃刀量是影響切削力的關(guān)鍵。銑刀直徑越大，背吃刀量越大，切削過程中的切削力越大，工件變形量越大。刀具直徑太小，背吃刀量太小，其效率又太低。對(duì)比切削結(jié)果，認(rèn)為選用φ32mm方肩銑進(jìn)行半、精加工，在質(zhì)量和效率方面效果比較理想。

為了摸索加工技術(shù)參數(shù)的影響，選擇不同切削參數(shù)進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)給對(duì)工件變形及刀具磨損情況

由表2可看出，轉(zhuǎn)速是影響切削溫度和刀具磨損的關(guān)鍵因素。轉(zhuǎn)速越高，切削熱越高，刀具磨損越快，使用壽命越短，且產(chǎn)生的切削殘余應(yīng)力就越大，對(duì)工件造成的變形也越大。當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，刀片容易崩裂。通過試驗(yàn)對(duì)比認(rèn)為，選擇主軸轉(zhuǎn)速300r/min、進(jìn)給速度250mm/min為佳。

刀片優(yōu)選具有高耐磨性、韌性好的合金涂層刀片（比如加工鈦合金所用的合金涂層刀片）。

為了掌握走刀軌跡對(duì)工件變形的影響，我們采用不同的刀路軌跡（見圖2），測量不同加工刀軌對(duì)變形量的影響（見表3）。

由表3可以看出，在效率方面，軌跡1所對(duì)應(yīng)的效率高，但變形量大，不能滿足圖樣的公差要求。軌跡2、軌跡3能滿足其要求，但軌跡3所對(duì)應(yīng)的工件產(chǎn)生的變形量最小，幾乎為0。通過分析認(rèn)為，對(duì)于刀路軌跡1，產(chǎn)生的變形量較大的原因可能是加工過程刀路長，單面表面殘余應(yīng)力累積逐步變大，導(dǎo)致翹曲變形較大。對(duì)于刀路軌跡2，刀路較短，表面殘余壓力難以累積，對(duì)工件造成的變形較小。對(duì)于第3種交替曲線加工軌跡：①刀具在運(yùn)動(dòng)過程中，比直線運(yùn)動(dòng)能更好地冷卻工件和刀具，從而減少了切削熱引起的應(yīng)力變形。②由于刀具運(yùn)動(dòng)方向隨時(shí)都在發(fā)生改變，使得形成的表面應(yīng)力的方向也在發(fā)生改變，這些應(yīng)力不僅不能聚積形成合力，而且還會(huì)相互抵消部分應(yīng)力。③不僅實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工軌跡，同時(shí)還有效縮短了刀路軌跡的長度。實(shí)踐證明，交替曲線加工軌跡對(duì)高精度、高平面度、高平行度要求的薄壁件平面加工效果非常好，值得推廣應(yīng)用。

圖2　加工走刀路徑示意圖

表3　不同走刀路徑對(duì)工件變形的影響

（3）工件裝夾變形控制：工件裝夾過程中，防止工件變形是實(shí)現(xiàn)薄壁零件加工的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)防變形裝夾的關(guān)鍵是要根據(jù)工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出合理、穩(wěn)定、可靠的工裝夾具；選擇好定位基準(zhǔn)面，定位緊固面，實(shí)現(xiàn)零件基準(zhǔn)面與工裝基準(zhǔn)面自然、緊密貼合，定位緊固面多點(diǎn)均勻受力緊固（見圖3、圖4）。

圖3　工裝示意圖

圖4　工件裝夾方式

（4）尺寸精度控制：該工件平面度、平行度及尺寸精度要求高，因此必須選擇精度高、運(yùn)行穩(wěn)定的機(jī)床，要求其幾何精度、重復(fù)定位精度在0.02mm以內(nèi)。由于該零件材料在加工過程中對(duì)刀具磨損較大，如果不控制好刀具磨損對(duì)工件精度的影響，加工出來的工件會(huì)出現(xiàn)一個(gè)端頭比另一個(gè)端頭厚的現(xiàn)象，會(huì)影響上、下面平行度。對(duì)刀具在加工過程中產(chǎn)生的正常磨損，即便選擇性能好的刀片，待整個(gè)面加工完，其磨損量已有約0.02mm，這種因刀具磨損造成零件厚、薄不一的現(xiàn)象，只要通過試驗(yàn)，測量出銑完該面對(duì)刀具的磨損量，就可以通過數(shù)控技術(shù)的程序補(bǔ)償或三軸聯(lián)動(dòng)來彌補(bǔ)。下面是三軸聯(lián)動(dòng)的部分程序段：

N7 G1 Z0.0 F250

N8 X1088. Y135. Z-0.00025

N9 X1091.135 Y132.913 Z-0.0005

N10 X1094.022 Y130.492 Z-0.00075

N11 X1096.623 Y127.768 Z-0.001

N12 X1098.23 Y125.719Z-0.00125

N13 X1099.517 Y123.452 Z-0.0015

N14 X1100.48 Y121.029 Z-0.00175

N15 X1101.101 Y118.498 Z-0.002

N16 X1101.37 Y115.905 Z-0.00225

N17 X1101.25 Y113.304 Z-0.0025

通過此方法加工，可實(shí)現(xiàn)該工件整體厚度基本相同，有效確保其平行度。

5. 結(jié)語

通過對(duì)高精密導(dǎo)軌的加工使我們意識(shí)到，加工高精密薄壁件必須認(rèn)真結(jié)合產(chǎn)品形狀進(jìn)行分析，優(yōu)化選擇適宜的刀具、加工參數(shù)及正確、合理的加工路徑，其主要目的是實(shí)現(xiàn)加工過程產(chǎn)生的應(yīng)力最小。實(shí)踐證明，采用交替曲線加工軌跡是非常有效的。雖然加工效率有所下降，但是加工的成品率大大提高，質(zhì)量得到了可靠保證，這是其最大的優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。

專家點(diǎn)評(píng)

文中有2處比較新穎：①測量不同加工刀軌對(duì)產(chǎn)生變形量的影響。②測量出銑完該面對(duì)刀具的磨損量，然后用三軸聯(lián)動(dòng)來彌補(bǔ)。這2種方法對(duì)讀者有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。針對(duì)第1種方法，文中分析了不同刀具軌跡對(duì)工件表面殘余應(yīng)力影響的原因，給人耳目一新的感覺；第2種方法測量出銑完該面對(duì)刀具的磨損量，然后用三軸聯(lián)動(dòng)來彌補(bǔ)，也可以使用G10可編輯輸入的方法，在程序中改變刀具的磨損量，這樣編程會(huì)更加簡潔一些。

收稿日期：（20150415）