薄壁件加工工藝分析與研究

營 夢，吳小四，張 芹

（安徽三聯學院，安徽 合肥230601）

薄壁件加工工藝分析與研究

營 夢，吳小四，張 芹

（安徽三聯學院，安徽 合肥230601）

薄壁結構零件被廣泛應用在汽車、航空、航天、造船、家電、機械等制造行業。特別是計算機輔助設計與制造技術的發展，使得機械設計及制造領域對復雜零件的加工制造等都實現了良好的現代化。文章以金屬薄壁件煙灰缸為例，通過并結合煙灰缸的設計要求進行加工工序設計以及加工工藝的處理優化和UG仿真建模等，實現了良好的尺寸協調性,使薄壁件的加工技術在一定程度上有所突破。

金屬薄壁件；UG；自動編程；仿真加工

1 薄壁件加工工藝分析與研究的背景

1.1 金屬薄壁件的應用及發展現狀

近年來，由于航空航天、汽車等制造業迅速發展，在制造加工過程中對于鑄件的要求越來越趨向于薄壁、高精度、高性能、集成化。人們愈來愈關注金屬薄壁件廣泛應用于制造車輛、航空航天、軍械方面的優勢[1]。所以，加快制造業中金屬薄壁件的發展步伐具有很大的意義。

另外，由于薄壁件的剛性較差，所以金屬薄壁件的加工向來是比較棘手的。而難以解決的并且一直困擾著機械加工行業的課題，就是薄壁零件機械加工的變形問題[2]。通常通過數控加工的方法進行加工。為此，要對刀具幾何參數設定，程序的編制等方面進行實驗[3]，來保證加工順利完成。

1.2 計算機輔助設計軟件在機械制造行業的發展

近年來計算機技術和信息技術的發展，計算機輔助設計與制造技術在世界范圍內得到迅速普及。CAD/CAM對于機械制造業而言是提高產品和制造質量、減少產品開發周期，提高產品開發效益的強有力工具。另外，工業生產對加工模具的設計工藝要求越來越嚴格，以往的模具加工方法似乎已經不能夠滿足加工的要求，這樣就迫使計算機輔助設計與制造技術在模具設計以及加工制造中的發展和進步。在二十世紀八十年代，CAD/CAM技術仍然是被普遍應用于注射模具、模具鑄造、壓鑄模具的制造與設計等方面[4]。

國際上在航空航天、汽車等各個工業生產部門都已經基本實現模具CAD/CAM技術的應用。比如波音飛機公司在波音777飛機上通過利用模具生產技術對所有的零件進行了三維實體建模，比以往的策劃和裝配程序效率大大提高，并設計出除了發動機以外的其他全部機械零件。

相比之下，國內計算機輔助設計與制造技術的研究和應用要落后于國外，但是也有一些相對比較成功的案例，例如國內的云馬飛機制造公司采用CAD/CAM技術，將其成功地運用到模具設計制造與加工中，并且實現了較高難度的薄壁件的數控加工，減小了零件的開發周期，提高了設計效率。

2 數控加工中心加工工藝概述

2.1 薄壁件變形因素分析

在實際生產實踐中，影響薄壁件加工變形的因素很多，常見的主要有：

1.切削熱導致的工件變形，切削熱產生的原因主要是被切削的金屬在刀具的作用下，發生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個重要來源。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要耗功，也產生出大量的熱量。所以，在切削工件時共有3個發熱區域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區、后刀面與過渡表面接觸區，而對于切削熱的主要來源就是切屑變形功以及前、后刀面的摩擦功。切削速度提高，也會引起切削溫度升高。對于切削熱引起的變形應該采取的措施：（1）采取冷卻效果較好的冷卻液來進行加工冷卻；（2）選用前角較大的刀具；（3）在切削速度不變的情況下，適當加大走刀量。

2.夾緊工件時夾緊力導致的工件變形，當裝夾過程中，由于工件壁比較薄，夾緊力稍大就會引起工件發生變形，所以對于夾緊力引起的變形一般采取的措施是正確選擇合適的套筒夾具，進而來增加裝夾接觸面積，或者是增加輔助加緊點。

2.2 加工的刀具選擇

為了適應數控機床高效率、高速度和高自動化程度的數控系統，數控加工刀具的選擇必須規范合理。通常數控加工刀具包含著通用刀具和連接刀柄等。在選取刀具時，刀片的外形和材質的選擇應該要首先根據工件形狀、加工條件和工藝選擇等有關情況來選擇，在綜合考慮其他刀具的要求后，然后再根據刀片和加工中心的加工要求，選擇合適的刀柄或刀桿，進行組裝，各種刀具應該安裝在加工中心機床的刀庫中，并且按照程序進行換刀。此外，和普通刀具相比較，數控加工刀具有很多不同的要求，主要有下列特征：（1）剛性好、精度高、耐沖擊性和熱變形??；（2）良好的互換性，方便快捷換刀；（3）高性能刀具壽命較高，切削性不僅穩定且可靠；（4）按照標準化、系列化的要求，有利于程序的編輯和刀具的規范管理。

刀具對零件的加工質量同樣具有重要的影響，不同的加工效果一般是由不同材質的刀具引起的。例如刀具的前后角、及刀具的主偏角同樣可以影響同一把刀的加工能力[5]。為確保加工精度和產品質量的穩定性，在選擇刀具過程中綜合考慮以下3個因素：（1）刀桿有足夠的穩定性和剛性[6]。（2）刀片應具有足夠的強度、硬度和耐用度。（3）刀片要盡可能的采用標準刀片[7]。

2.3 切削用量的選擇

數控加工中心銑加工過程中，加工參數包括切削深度，切削速度，切削寬度進給量。對于切削用量三要素的合理選擇，通常是根據加工性能和確定背吃刀量ap的加工余量來選取。粗加工時，加工余量同時保留，如果允許機床剛度，加工余量應盡可能降息，以減少路徑數。選用硬質合金刀具在中等功率機床上加工工件時，粗加工取ap=2mm-6mm，精加工取ap=0.3mm-2mm[8]。確定進給量f:進行粗加工時，對工件的表面加工質量要求不高，當切削力偏大時，進給量的選取是受切削力的主要影響。在刀桿、刀片和走刀機構強度允許的情形下，通常選擇較大的進給量；在半精加工和精加工時，進給量的選取主要受加工表面質量的限制的原因是因為背吃刀量不大，產生的切削力較小。但進給量不能選的太小，否則不僅生產效率低，而且因為切削厚度太薄影響切削，進而影響加工質量[9]。確定切削速度：一旦確定刀具的使用壽命T、背吃刀量ap及進給量f之后，便可按公式計算切削速度vc，即隨著主軸轉速微調數控機床的控制面板開關，具有主軸轉速調整的整倍數。

3 基于UG的煙灰缸建模

3.1 UG軟件的介紹

UG是德國西門子公司開發的比較強大的一款三維系統軟件，包括整合產品生命周期管理軟件的CAD/CAE/CAM[10]。UG是從CAM發展而來的。NX是UGS新一代的數字產品開發系統，它可以通過利用調換進程來帶動產品的更新。而NX8.0系統無縫集成應用程序除了能夠迅速交付產品和過程的變化訊息，還能夠從設計概念到制造加工產品，使用一個統一的解決方案用于主體參與和產品開發。同時NX8.0也能夠在建模的靈活性和生產力方面樹立起牢固的領先地位，在開發過程中可以隨時與系統進行數據交流[10]。

3.2 煙灰缸建模

圖1 零件圖

4 基于UG煙灰缸的自動編程

4.1 煙灰缸數控加工工藝分析

該煙灰缸的表面光滑度要求很高，主要是由曲面、平面和凹槽組成的，結構比較簡單，尺寸要求不高。加工材料可選為45號鋼，采用硬質合金刀加工。

加工方案：對于該煙灰缸采用粗加工，半精加工，精加工的方法來保證加工質量。加工選擇在立式銑床上逆銑加工。工件在加工過程中，采用平口鉗進行裝夾，在裝夾過程中要注意工件和平口鉗的矯正[11]。刀具選用端面銑刀和球頭銑刀。

該零件在裝夾時應采用互為基準的方法，做到準確的定位和夾緊以提高表面加工的形狀精度，另外要避免手動調整方案。

加工工步：用?10cm端銑刀粗銑煙灰缸的所有輪廓；用?8cm球頭銑刀半精加工煙灰缸所有輪廓；用?6cm球頭銑刀精加工煙灰缸所有輪廓；用?5cm端銑刀精加工煙灰缸周邊輪廓。

切削參數的選擇：在粗加工時，留0.1mm的精加工余量，通過參考切削用量手冊[12]，來確定主軸轉速和進給速度。切削速度設為80mm/min。另外，可以通過公示vc=dn/1000，計算主軸轉速。

4.2 煙灰缸的加工

1.型腔粗加工（型腔銑）

圖2 刀具軌跡

2.外部輪廓粗加工

圖3 刀具軌跡

3.輪廓區域粗加工

圖4 刀具軌跡

4.外部輪廓精加工

圖5 刀具軌跡

5.輪廓區域精加工

圖6 刀具軌跡

6.周邊輪廓的精加工

圖7 刀具軌跡

4.2.1 數控機床的常用指令

1.G00-快速定位 格式：G00 X（U）_Z（W）_

2.G01-直線插補 格式：G01 X(U)_Z(W)_F_ (mm/min)

3.順時針圓弧插補G02，逆時針圓弧插補G03用I、K（對應X、Z，為圓心相對圓弧出發點的坐標）擬定圓心位置，格式：G02（G03）X(u)_Z(w)_I_K_F_

4.其它常用指令 M03：主軸正傳 M04：主軸反轉 M05：主軸停止 M00：程序暫停 M01：計劃停止M02：程序停止M30：程序結束，指針返回到開頭M08：液狀切削液開 M09：切削液關 G90：絕對坐標編程 G91：增量坐標編程

4.2.2 部分煙灰缸輪廓程序

N0010 G00 G90 X-5.583 Y.3444 U0.0 V0.0

N0020 G01

N0030 G03 X-5.6815 Y.4428 I.0985 J0.0

N0040 G01 X-5.8835

N0050 G02 X-5.9749 Y.5162 I0.0 J-.0936

N0060 G01 X-5.9775 Y.5282

N0070 G02 X-5.9788 Y.5488 I-.0656 J-.0144

N0080 X5.9777 Y.5605 I-5.9788 J.5488

N0090 X5.9758 Y.5181 I.1249 J.0156

N0100 X5.8823 Y.4428 I.0935 J-.0204

N0110 G01 X5.4852

N0120 G02 X5.3936 Y.5066 I.0019 J-.0949

N0130 X5.3865 Y.539 I-.094 J-.0377

N0140 G03 X-5.3865 I5.3865 J.539

N0150 G01 X-5.3876 Y.5282

5 結 論

UG數控仿真加工實踐證明，采用以上不斷優化的加工方案進行加工的薄壁件質量不僅能夠滿足實際需要，并且還可以滿足薄壁件尺寸、形狀、位置等的精度要求，另外工件表面的粗糙度與裝配的質量也都能符合產品加工要求，為同類產品加工提供了借鑒。

[1]張諍,楊晶.大型薄壁復雜鋁件鑄造技術的現狀與發展[J].機械管理開發，2005(5):65-66,68.

[2]張云峰,曹巖.薄壁件加工變形分析與控制[J].西安工業大學，2008(8):200,245.

[3]施永輝，施海明.數控機床在模具制造中的應用[J].南通紡織職業技術學院學報，2002(1):14-16.

[4]王麗敏，計小輩.模具設計制造中CAD/CAE/CAM技術的應用研究[J].現代制造技術與裝備，2008(4):72-74.

[5]李奎，何達，何偉.薄壁件加工工藝優化技術研究[J].科技專論，2014(5):304.

[6]趙熹.薄壁件銑削技術的研究綜述[J].中小企業管理與科技，2014(5):24-26.

[7]趙熹，曹巖.薄壁銑削技術研究[J].新技術新工藝，2014(1): 97-101.

[8]劉耀毅,薄壁件數控車加工工藝淺析[J].中國科技博覽，2014,41:15-17.

[9]王樹逵，齊濟源.數控加工技術[M].北京：清華大學出版社，2009:60-95.

[10]章兆亮.UGNX8.0快速入門、進階與精通[M].北京：電子工業出版社，2014:156-180.

[11]張洪波,汪延君，孫寶先.解析薄壁零件的加工工藝[J].赤子，2012(10)：32-34.

[12]宋子深，陳發勝.薄壁碗狀殼漸進成型技術的應用[J].導航與控制，2013(4)：21-22.

責任編輯：胡德明

An Analysis and Research on the Processing Craft of Metallic Thin-walled Parts

Ying Meng,Wu Xiaosi,Zhang Qin
(Anhui Sanlian University,Hefei 230601,China)

Thin-walled parts are widely used in automotive industry,aviation,aerospace,shipbuilding, electrical appliances and machinery manufacturing industry.The development of computer aided design and manufacturing technology in particularhashelped realize the modernization ofthe processing and manufacturing of complex parts in mechanical design and manufacturing.The article,taking thin-walled metal ashtray as an example,makes a breakthrough in the processing technology of thin-walled parts to a certain extent.The size of the ashtray achieves coordination through processing procedure design based on the design requirements,processing technology optimization and UG simulation modeling.

metallic thin-walled parts;UG;automatic programming;simulation process

TG801

A

1672-447X(2016)05-0009-004

2016-08-27

安徽三聯學院自然科學研究項目（kjyb2016007）

營夢(1990-)，安徽宿州人，安徽三聯學院助教，研究方向為機械CAD/CAM。