典型薄壁件的CNC 加工方法研究

楊 莉

(四川工程職業技術學院 機電工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

薄壁零件具有高強度、重量輕、高承載性等優點，作為重要的零件廣泛應用于機械、汽車、航空、軍工等行業。筆者研究的薄壁零件主要用于汽輪機燃燒室，是燃機的關鍵零部件。目前，薄壁零件正在向極薄化、大尺寸化和復雜化的方向發展。薄壁結構受力形式復雜，受力分析難以按照經典理論進行，且制造過程中極易發生變形、失穩和振動等問題，非常不利于制造加工，是國際上公認的復雜制造工藝問題［1］。薄壁零件剛性差，在制造過程中受到夾緊力、切削力、切削熱和殘余應力等因素的作用時極易產生變形，德國的B.Denkena 等人［2］首先通過實驗觀察的手段發現薄壁件加工過程中有熱力耦合作用產生的變形誤差，所以控制加工變形是保證薄壁零件數控加工質量的關鍵。目前國內的中小企業仍然采用傳統車削、銑削、磨削、拋光、壓鑄及混合加工成形等加工方法加工不同類型的薄壁件［3］。

本研究針對薄壁件加工的現狀，結合數控技術，制定出合理的機械加工工藝，采用CNC 技術的加工中心進行零件的加工，以提高零件的加工精度和表面質量，該理論和方法對類似零件的高精密數控銑削具有一定的指導意義。

1 結構分析

薄壁零件的材質為Hastelloy X(哈氏合金)。它是鎳基合金中的Ni-Mo 系、Ni-Cr-Mo 系及Ni-Si 系耐蝕耐熱合金。它的密度:9.2 g/cm3，熔點:1 330 ℃～1 380 ℃，磁導率(單位:℃，RT)≤1.001。Hastelloy X 主要成分(單位:%)是C≤0.115，Cr≤22.0，Mo≤9.0，Fe≤20及Ni 余［4］。它的力學性能非常突出，具有高強度、高韌性的特點，因此，在機加工方面有一定的難度，而且其應變硬化傾向極強，當變形率達到15% 時，約為18—8 不銹鋼的兩倍。哈氏合金還存在中溫敏化區，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。

薄壁件成品圖如圖1 所示。

圖1 薄壁件成品圖

該薄壁件凈重6.4 kg，工件總長589.06 mm，厚度為7.6 mm，表面粗糙度為Ra1.6，平行度為0.1 mm，孔的位置度要求相當高，且孔徑公差僅有0.018 mm。加工精度要求較高，加工難度較大。

2 零件的加工

2.1 加工準備

(1)將工作臺打磨平整、清理干凈;

(2)選用4 塊等高墊鐵及相應拉桿、千斤頂、壓板;

(3)準備等量的紙，用于保護工件表面;

(4)準備好刀具、量具、樣板;

(5)充分考慮加工過程中可能出現的問題，制定解決方案，整理出加工歩驟與程序。

2.2 基于CNC 技術機床的選用

對于高精度要求的薄壁零件，該薄壁件在加工中心來完成加工，相較于普通機床，數控機床通過數控指令驅動機床的各軸運動來加工工件［5］，通過改變數控有關技術工藝參數，就可以完成加工，因此比較便于實現換批加工與研發新產品［6］。而加工中心是一種功能較全的數控機床，它集銑削、鉆削、鉸削、鏜削、攻螺紋和切螺紋于一體［7］，不僅具有加工精度高、精度穩定、表面質量好等工藝特點，還可以減少停機檢驗時間，具備刀庫的自動換刀功能，實現了多道工序的連續加工，這樣不僅縮短了生產準備周期，提高了生產效率，而且節省了大量工藝裝備費用。

因此，本研究根據零件的結構特點，采用立式加工中心KVC800，該機床精度高、剛性好，可以大大提高加工精度;且具有進給結構剛性、傳動剛性良好;主傳動系統轉速高、性能良好;刀庫容量大、裝刀方便;機床操作宜人性良好;主配置FANUC 0i-mate-MD 控制系統性能優越、運行可靠等特點。其能在一次裝夾下完成鉆、擴、鏜、攻絲等多種加工，適合于加工各種精度高、工序多、形狀復雜的各種零件，是精度高、工效高、可靠性高的自動化加工機床。

2.3 加工工藝分析

薄壁件工藝路線一般劃分3個階段，即毛坯準備—粗加工—精加工。粗、精加工之間可安排一次或數次半精加工。研究結果表明，對零件粗加工后進行去應力退火處理，減少因應力釋放導致工件變形的可能性，還應合理安排粗、精銑工序，控制工件變形，以滿足精度要求。

以下討論合理制定裝夾方案。薄壁零件剛性差，在加工過程中因受到切削力、夾緊力以及切削熱和殘余應力極易產生變形，所以控制加工變形是保證薄壁零件數控加工質量的關鍵。在眾多的加工變形控制措施中，如進給量局部調整、刀具路徑修正、改進裝夾方案和改進毛坯的結構工藝性等，裝夾方案是其中的重要一項［8-9］。另外，結合實際分析，薄壁零件的數控銑削中，由夾緊力引起的裝夾變形是引起工件變形不可忽視的一個重要因素，裝夾方案的優劣直接影響工件的加工精度、表面質量、勞動生產率和加工成本。薄壁零件裝夾方案的制定，首先應根據零件的結構特點和技術要求，進行切削過程中的受力和變形分析，特別要注重定位和夾緊的形式、裝夾布局和夾緊力的選擇，使工件所受的綜合作用力盡可能小，作用力矩盡可能小，提高零件的工藝剛度，減輕零件的裝夾變形、加工變形和振動［10］。

2.3.1 工件的粗加工

(1)將平口虎鉗裝夾在合適位置，鉗口拉直，壓緊。

(2)粗銑加工實物圖如圖2 所示。粗銑工件厚度，對工件進行多次裝夾，消除因應力發生變化而產生塑性變形，最終保證其中一個面的平行度在0.1 mm之內，并達到表面粗糙度要求。

(3)取下工件，釋放加工應力，檢查變形量。

2.3.2 工件的精加工

圖2 粗銑加工

圖3 精加工

(2)兩次裝夾精銑外形。本研究選用Φ10 的立銑刀，切削參數為:S=2 000 r/min，F=500 mm/min，ap=0.25 mm。結合實際分析，為保證寬度總長和型線部分滿足設計要求，需留量精銑。筆者在余料部分搭制壓板，防止脫落時損壞工件和刀具。

精銑外形如圖4 所示。

圖4 精銑外形

(3)多次裝夾銑厚度方向型線。

銑厚度方向型線如圖5 所示。

圖5 銑厚度方向型線

需要考慮工件的變形問題，如何降低工件的變形在最小程度。面銑刀阻力過大，使工件內部分子急速運動，從而加速了工件的變形。經過反復試制作比對，最后本研究確定選用了刃口鋒利排屑效果好且耐磨性好的Φ10—R0.5 立銑刀，切削參數為:S=2 000 r/min，F=1 000 mm/min，ap=0.10 mm。在精銑時每刀寬度小于8 mm，這樣銑出的型線才無接刀痕，保證了粗糙度Ra1.6。在加工斜面時采用每刀寬度0.1 mm 的進刀方式，最終達到表面粗糙度和光潔度要求。本研究對斜面進行加工與結果分析，為了保證接刀的完整性，采用同一把刀來精銑控制斜面和平面的統一性。

3 數控編程

3.1 加工程序編制

數控機床所使用的程序是按一定的格式并以代碼的形式編制的，由數控系統控制數控機床自動地進行加工［11］。本研究根據薄壁零件的結構、技術要求、制造工藝分析、加工中心的程序格式，結合實際結果分析，確定出每個工序的加工程序。

3.2 零件重要表面的加工程序

本研究按圖1 零件位置旋轉90°擺放，列出其左側與右側平面、圓弧面的加工程序:

在酒店對于人才管理的過程中，國內酒店的管理人員由于傳統思想總是寄希望設法用各種手段來控制酒店的員工，甚至把一些激勵的措施也當成了控制知識型員工的手段。許多酒店在解決知識型員工“跳槽”問題上走進了誤區，他們把“跳槽”看成是員工的背叛或者認為員工跳槽體現出的是自己管理的失敗，為了遮蓋住這種失敗，有的甚至采取扣押金、扣檔案，扣工資等偏執的做法。最后，人非但沒留住，還嚴重影響到企業聲譽和形象。酒店的管理者即使知道采用這種管制性措施把人才被迫留住，所留人才會因此變得消極怠工，令酒店和員工個人雙方兩敗俱傷，也依然這樣做。

(1)粗加工左側平面

(2)粗加工右側平面

(3)加工左側圓弧(R200)

(4)加工右側圓弧(R200)

(5)加工左側錐形

(6)加工右側錐形

(7)精加工左側平面

(8)精加工右側平面

程序結束

4 加工分析與檢測

如圖1 所示，本研究精銑4×Φ16.5(兩邊位置)和2× Φ17(中間位置)的孔，這兩種孔的公差均為0.018 mm。由于機床的精度會直接螺旋銑削成橢圓狀，橢圓在0～0.02 mm 之間，無法滿足設計要求，筆者采用優化選擇先銑削留0.05 mm 的加工余量再鏜削的方式，保證形位公差在0.005 mm 之內。

該工件屬薄壁件，加工過程中易變形，應遵循“少吃快跑”的加工理念。本研究采取墊紙的方法以保護表面光潔度不被破壞。

在正常加工條件下，影響工件尺寸變化的主要因素是刀具磨損、由于切削熱引起的刀具伸長和工件膨脹以及機床、刀具、工件組成的工藝系統彈性變形等［12］。S.Ratchev 等人［13］針對切削加工的熱變形、殘余應力變形和力變形進行了分析。因此工件加工完畢后，仍然需要對所加工的零件要進行尺寸、粗糙度以及形位公差等檢測，了解是否到達設計要求和工藝要求。

5 結束語

本研究結合加工實際，為達到零件所要求的表面質量，應避免在工件上出現壓痕和拉傷現象，加工時需要一層墊紙，即在工作臺上約0.5 mm，壓板部位需墊1 mm。在精加工面上找正或測量工件變形度時，只能點接觸，不能讓表頭在工件上做直線運動，以免有劃痕。其次，該零件是燃機的重要部分，其重點在于斜度的加工方法、刀具的選用和外觀保護，以最大程度減小工件的變形度。

結果表明，按照所述方法，能加工出滿足設計要求、工藝要求，符合使用性能的零件，可作為一種典型薄壁件的加工方法。

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