数控铣加工精密薄壁零件分析
摘 要：为了探讨数控铣削加工薄壁零件的工艺过程及其对质量的影响，提出了一系列有效的改善数控铣削加工精密薄壁零件的方法。通过一个具有代表性的薄壁件作为示范，深入探讨其加工技术的挑战，并提出相应的工艺方案。重点采用先进的数控铣加工中心及普通车床、卧式铣床，以最快的速度完成薄壁件的加工，从而满足其结构与精度的要求。
关键词：数控铣；铣削加工；薄壁零件
0 引言
随着社会的发展，飞机、航空航天器、无人机不断增加，对于薄壁零件的需求量不断增加。薄壁零件内部挖空、切除率较高一般超 90%以上。薄壁零件铣削加工要求高精度，需要切除大量金属，工件壁薄，导致刚性低,铣削加工容易变形，降低铣削效率。薄壁零件的铣削加工，工件表面质量受刀具和走刀方式的影响，要达到图纸的精度和表面粗糙度值，须结合薄壁零件特点制造合适的夹具、选择合适的装夹方法、合
适走刀方式,还要选用合适的冷却方法等[1-2]。
1 、薄壁零件工艺特点加工难点
薄壁零件刚度较低,在铣削加工过程中,外力使工件变形。粗加工时，切削力大、温度高，零件容易出现较大形变。工件因为刚度低、毛坯内应力释放以及装夹变形、装卸回弹等因素所导致的形变，才是数控铣
加工精密薄壁零件的难点[3]。
2 、常用提高数控铣加工精密薄壁零件质量的措施
1）工件内部或外部增加易去除的物质以提高工件的刚度，例如可以使用低熔点金属合金锡、易熔有机物松香、石腊，或浇灌石膏等物质来加固工件，加工完成后再去除。
2）选择合适的加工刀具，适当增大前后角使刀具更锋利，减少薄壁部位受力。
3）制造有针对性的专用夹具，增强薄弱部位的刚性。
3 、案例零件结构
如图 1 所示，工件材料牌号为 7075 铝合金，航空零件，数量要求为 60 件，外圆直径 400 mm，厚度 7 mm。外圈直径较大、厚度较薄，属于薄壁典型工件。圆周壁上，在装夹和加工过程中极易变形，工件刚性较差的加工孔 12 个，固定支承耳端面 4 个。同时对零件的平面度要求较高，对表面粗糙度要求也较高，造成加工工艺路线选择不当、加工精度控制不住、不能保证工件质量等问题，导致工件加工难度加大。
1-1 零件立体图
1-2 零件平面图
图 1 零件结构（单位：mm）
4、 毛坏立体图
如图 2 所示，毛坏质地均匀、规整、无异形。
图 2 毛坯图（单位：mm）
5 、工艺分析
1）结构分析工件为环状件，整体结构规整，圆周上的小孔均匀分布，支耳对称分布，沟槽沿圆周均匀分布，形面相同，无复杂结构，工件规整，结构简单，工件在圆周上呈环状分布。
2）材料分析。零件材料牌号为 7075 铝合金，主要成分是锌和镁，是一种高强度、高硬度的铝合金材料，在退火、淬火后有较好的切削性能。
3）精度要求分析。主要要求平面≤0.05 mm，主平面表面粗糙度 Ra=1.6μm，其他粗糙度 Ra= 3.2 μm，其它尺寸精度要求并不苛刻。
4）成形分析。根据现有设备：三轴数控铣加工中心，车床 C6150，卧式铣床 X6142（能满足加工要求）。工件为环形回转型零件，可采用车、铣法，以圆周壁12 个小孔卧式铣床为重点，以车床和加工中心为重点，达到成型零件的结构和精度要求。
5）难点分析。由于工件壁薄，外圆尺寸大（直径达400 mm），加工过程中极易产生变形，如不采取可靠的变形控制措施，则容易出现不合格品，所以工艺成形的难点在于变形的控制。可通过控制工件的变形，在工装和加工设备的保证下，加工出合格成品。工装又是根据零件的批量大小而定，产品批量的多少代表了不同的生产模式，如果大批量，则可以考虑做气动或液压等独立夹紧传动装置的专业化工装。因工件数量只要 60 件，考虑经济因素，所以只需做一套简易夹具即可达到加工要求。
6 、工艺过程
6.1 时效处理
来料首先质检后，然后时效处理。
6.2 使用车床加工
选用 YG3X 刀片，撑夹毛坏内孔 8 mm 处，工件伸出 27 mm，一次装夹两端面见光，保证两大面平行度（为了方便加工中心安装时检测），外圆全批次加工到 Φ402 mm，内孔全批次加工到 Φ345 mm、长度18～20 mm 作为数控铣加工中心及卧式铣床工序的安装及定位基准。外径有 400 mm，转速不宜过快，防止打刀及工件发热变形。加冷却液，转速选择 180～250 r/min。
6.3 加工中心加工外形
使用加工中心铣削正面全部造型，利用车削平整的端面定位，400 mm 三爪卡盘支夹 Φ345 mm 内圆，工件露出 25~26 mm，分内腔轮廓、厚度、外形粗细加工，用 Φ12 mm 合金立铣刀具粗加工，用 Φ10 mm 刀具半精细加工，用 Φ5 mm 刀具在内槽内加工。四个支耳螺丝孔按钻心、钻孔、攻丝顺序依次加工到位后，按图样要求进行加工，全批次完成本工序。
6.4 圆周壁小孔加工
使用卧式铣床 X6142。利用回转工作台和 400 卡盘撑夹工件内圆，外圆分中找正，圆周壁上 12 个小孔到位。按打中心孔、打孔、去毛刺等顺序处理好孔。整个批次都会完成这个过程。
6.5 夹具设计
夹具设计思路是用一整块铝板加工而成，外面是固定件，内部是活动件，内部活动件撑胀工件紧贴外面的固定件，控制工件的水平方向 x、y 轴的自由度，z轴方向定位靠贴工作台面来控制。环绕 z 轴的自由度
由内部活动部件下方的键来控制。
6.6 夹具制作
使用加工中心制作工装夹具，方便后面加工工件反面。
先准备厚度为 25 mm 的 450 mm×430 mm 铝板，再将加工图 3 中的 6 个沉头螺丝孔，平铺几张 A4 纸后固定在操作台的 T 型槽上。这个细节主要是防止刀具铣到工作台面,同时减少找平行堑铁的麻烦。之后
用挖槽的刀路挖铣中间键槽，还有内圆中间那部分，使得后面可以让中间那部分一分为二用来制作撑夹夹具 2。
图 3 夹具钻孔用图（单位：mm）
用螺母和压板固定中间那部分，然后用挖槽铣削及外形铣削加工的刀路，把工件的安装位铣出来，保证与工件有 0.1 mm 的间隙，并且深度铣通。刀路如图4 所示。
图 4 铣工件安装位示意图
中心那部位切开一分为二用来做撑夹具 2，夹具 2 的 底 部 铣 配 16 mm 的 键 与 中 间 T 型 槽 留0.1 mm 间隙配合，使得夹具 2 只可以在 x 轴方向来回滑动。限制了夹具 2 在水平面旋转的自由度，如图 5 所示。
图 5 夹具 - 工件总装图
夹具 2 的清角及钻孔在卧铣上加工，夹具 2 与楔铁压块配合。楔铁压块的侧边件用螺丝连接夹具 2。
6.7 利用制作好的夹具在加工中心铣削工件反面
以加工好的正面定位，拧紧楔铁压块中间的螺丝，敲平工件，打表检测上表面间接检测工件装平没问题后，分粗精加工反面平面，粗加工留余量 0.3 mm，粗加工步骤完成后，用三坐标测量仪检查有无超标变
形量的情况，如有可以标出该变形位置和变形数值。
根据变形量确认是否增加校正工艺。处理完毕或无变形，则再次安装加工至尺寸要求。为了让切削力对工件变形的影响降到最低，采用外形铣削加工的刀路铣平面，走环绕路线、使用顺铣方式，径向分层多次加工。为了让干协面无残留，采用骗刀法（例如计算时用Φ11.5 mm 刀具，实际装 Φ12 mm 刀具）。采用新型立铣刀，加工时使用冷却液，主轴转速尽可能高，8 000 r/min，进给量略小，400 mm/min，使表
面粗糙度降低，精加工平面时表面质量提高。
6.8 钳工工序
倒钝锐边，去毛刺。
7 、加工过程检验控制
在加工过程中，对工件加工过程中必不可少的控制程序——部位尺寸和精度的检测，需要使用专业的检具和量具来完成。加工反面前用千分表检测上表面，间接测量工作是否安装平整。
8 、变形的控制
1）装夹方式采用加宽的软爪支承内孔，使支承点接触变为面接触，避免了加工过程中由于工件变形而产生的尺寸偏差。
2）加工反面是使用专用夹具，夹具的内孔与工件的外圆配合，方便零件装夹，尽最大可能地降低零件形变。
3）消除工件内部应力铝合金坯料在加工过程中会产生应力释放，从而产生结构变形。自然时效处理耗时长，因此采用加温到 190 ℃左右的时效处理方式，经过半天的保温后再进行空冷处理，这样就可避免加工时残余应力的释放，从而避免工件变形的现象发生。
4）在铣削反面平面过程中使用合理的工艺参数，减小切削力，尽量使用较小的垂直轴向切削深度，选择较大横向的径向切削深度，条件允许时可以大于刀具的半径。在主轴及铣刀转速允许的情况下，尽可能
的选择更大的切削速度。
5）其他因素的控制薄壁件变形不仅受切削工艺参数的影响，还受走刀路径、机械振动和冷却方式等综合因素的影响。在走刀路径上，应以尽量减少工件最小部位上的作用力为原则，可以采用对称加工或阶梯式加工的路径；在切削液方面，本例中使用乳化型专用铝合金切削液，切削液使用得当可以降低工件加工变形，保护刀具，使其寿命延长。
9 、结语
薄壁件铣削加工是业界认为具有一定挑战性的难题，但通过制定合理的加工工艺路线，最终能够较快地完成并达到加工要求，只要仔细分析零件特点，根据批量大小，根据现有设备进行有针对性的夹具制作，避免加工切削受力过大，发热和形状改变而影响加工精度，就会变得轻而易举，企业效益创造更多。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
- target=_blank> 新型数控双交换工作台卧式加工中心技术的应用
- target=_blank>加工中心直线电机故障诊断与维修
- target=_blank> 加工中心机床加工复杂轴工艺研究
- target=_blank> 一种汽车十字轴车床夹具的设计
- target=_blank>变速器一档齿轮加工数控车床主轴故障诊断与优化研究
名企推荐
