薄壁零件数控加工工艺质量改进方法
（江苏省高淳中等专业学校 江苏南京 211300）
摘要：薄壁零件用途较广，常被用于一些精密的仪器设备中。因此，保证薄壁零件的精度和质量尤为重要。从薄壁零件及其特点简介入手，分析了薄壁零件数控加工工艺质量的影响因素，在此基础上提出薄壁零件数控加工工艺质量的改进方法，期望通过本文的研究能够对促进薄壁零件质量的提升有所帮助。
关键词：薄壁零件；数控加工；工艺质量；优化改进
薄壁零件以其自身所具备的特点，在诸多领域中得到越来越广泛的应用，基于这一前提，对薄壁零件的加工质量提出较高的要求。通过对薄壁零件数控加工工艺分析后发现，有很多因素会对零件的尺寸精度及质量产生因素，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，确保零件的整体质量达标，应当在分析影响因素的基础上，采取有效的方法和措施，对加工工艺优化改进。借此下面重点就薄壁零件数控加工工艺质量改进方法展开探讨。
1薄壁零件及其特点
薄壁零件是指由薄型板材和加强筋条构成的轻量化金属材料结构零件，其壁厚不超过1mm，且壁厚与内径曲率半径比值不超过5%。薄壁零件包括完整结构件、板类零件、圆筒形薄壁件等多种类型，由于薄壁零件具备用料较少、质量较轻、体积较小、结构紧凑、实用性更强等特性优势，使得薄壁零件在工业制造领域得到了广泛应用。但是，受薄壁零件本身特性的限制，其同时也存在着刚性弱、强度低、抗变形能力差等物理力学性能弊端。在大批量生产薄壁材料时可以采用数控加工技术，提高薄壁材料加工精度和生产效率。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、环境温度以及零件材料初始残余应力等参数，消除引起薄壁零件变形的不利因素，保证加工精度[1]。当薄壁零出现变形时，则会导致薄壁材料无法正常装配，降低使用价值。
2薄壁零件数控加工工艺质量的影响因素
2.1装夹固定的影响
金属材料刚度是影响薄壁零件加工精度的重要因素，在加工过程中，要综合考虑零件受力和应力变形情况，将专门的夹具夹在零件的特定位置，通过固定零件避免加工中产生零件变形。但是，在数控加工中单一采用装夹的方式固定零件却仍然无法解决变形问题。故此，可以采用增厚零件材料涂层的方式增强零件装夹后的稳固性，零件加工后再清除涂层，但这种方式会降低加工精度。尤其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更容易出现滑动，使得薄壁零件受力不均匀。
2.2切削参数的影响
在数控加工薄壁零件时，切削参数设定对零件切削精度的影响较大。适当改变切削前后角度，能够减小零件形变量，降低切削过程中产生的摩擦力，保证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、进刀速度和切割宽度，在切削不同金属材料的零件时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。
2.3走刀方式的影响
在传统的薄壁零件加工中，多以粗刀一次性加工为主，再通过后期加工修正偏差。这种加工方式限制走刀路径，难以满足复杂结构零件加工要求，且无法精确控制零件精细部分的尺寸。同时，粗刀一次性加工会增加后期修正的难度，提高薄壁零件加工成本，影响薄壁零件加工生产效率。为解决这一问题，有必要在数控加工中改进走刀方式和路径选择，在零件加工未发生变形的情况调整走刀，减少后期修复次数[2]。
2.4工序工艺的影响
数控加工工艺是提高薄壁零件精度的重要保障，在加工过程中，要了解金属材料的性能和变形规律，综合考虑薄壁零件的变形参数优化设计加工工序和工艺路线。从现阶段机床加工现状来看，只是沿用传统的工艺路线，长期未更新工艺流程，很少引入新技术提高加工精度，已经难以满足高精尖薄壁零件的加工需求，导致加工出来的零件存在着质量参差不齐的情况，阻碍着加工制造业的发展。
3薄壁零件数控加工工艺质量的改进方法
3.1改进零件装夹工艺
装夹对薄壁零件数控加工工艺质量具有一定程度的影响，为确保加工质量达标，应当采取有效的方法和措施，对装夹优化改进。总体思路是加大薄壁零件装夹质量现场生产管理力度，防止因操作失误引起质量问题；设计时全面优化各项技术参数，以此来控制装夹质量，从而满足薄壁零件数控加工的生产要求。具体的优化改进方法如下：
3.1.1装夹结构优化
采用数控机床加工薄壁零件时，在主轴回转的带动下，装夹也会随之一起回转，为使装夹的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。由此能够使惯性力与回转力矩的大小，达到薄壁零件数控加工的精度要求，零件的加工质量随之提升。
3.1.2悬臂长度控制
研究结果表明，数控机床主轴的悬伸长度与刚度成反比关系，即悬伸越短刚度越高，反之则越低，所以在薄壁零件数控加工中，悬臂长度应当取小值，以保证其刚度。实际生产中，可按薄壁零件的数控加工精度要求控制机床主轴的悬臂长度。如，加工薄壁套时，管外径D=63mm，主轴悬臂长度L与D的比值应当小于1.25，由此得到的悬臂长度刚度最高[3]。
3.1.3平稳连接
装夹与主控机床之间的连接是否平稳，直接关系到薄壁零件的加工质量，在优化改进的过程中，应当尽可能消除影响二者稳定连接的因素，最大限度降低安装等因素，对薄壁零件数控加工质量的影响，确保零件的加工精度达标。
3.1.4增强装夹机构的性能
薄壁零件数控加工时，应当安全性、耐久性、可靠性的原则，对装夹机构合理选择，在确保装夹机构刚度和强度的前提下，增强其夹紧力，避免加工过程中发生脱夹的现象，对零件质量造成影响。耐久性高的装夹机构，变形损坏的几率相对较低，能够延长使用寿命。
3.2改进切削工艺控制变形
研究结果与实践表明，薄壁零件加工后的变形量主要与切削工艺有关。为此可对切削工艺优化改进，以此来达到控制变形的目的，具体方法及措施如下：
3.2.1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。基于这一前提，在薄壁零件切削加工中，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，降低零件的变形量，使其达到质量标准的允许范围[4]。
3.2.2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之一，若是每齿进给量的范围合适，则在该范围内的进给量数值变化并不会对薄壁零件的加工尺寸精度造成影响。不仅如此，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，这种材料本身的性质，使切削加工时产生的热量会引起材料化学变化，从而生成一种新的物质，并附着于薄壁零件表面的硬化层上。当每齿进给量比较小时，会导致切削过程一直在硬化层进行，进而造成切削力增大，并且剪切滑移中的切削，会被挤压所代替，过大的切削热量，对刀具的使用寿命造成不利影响。基于此，要严格控制进给量，使其保持在0.22mm/z附近为宜，由此产生的残余应力最低，对薄壁零件加工质量的影响程度最小。
3.2.3优选走刀路径
（1）薄壁零件切削加工时，刀具的路径对加工精度具有一定影响。为使该影响降至最低，应对走到路径进行优选。在编制切削工艺时，应当以薄壁零件的结构作为走刀路径的选择依据，并按照如下方式选取刀具的路线：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，对称加工在预防薄壁零件切削变形方面的效果比较显著，在没有特殊要求的前提下，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示意图
（2）薄壁零件切削加工中，刀具通常会在零件的表面做快速移动，由此使得进退刀方式成为影响零件加工质量、刀具磨损程度以及操作安全的关键性因素。因此，应当对刀具的进退刀方式加以优化，提高加工质量，减轻刀具磨损，延长使用寿命，确保操作安全。数控加工薄壁零件的轮廓及侧壁时，有两种进刀方式，一种是线性，另一种是圆弧。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。
图2 直线进刀-圆弧退刀的加工效果示意图
优化后，将进刀方式改为圆弧，零件表面的质量得到大幅度提升，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，使刀具得到一定程度的保护，使用寿命进一步延长。
图3 进刀方式优化后的加工效果示意图
（3）薄壁零件型腔结构铣削时，常用的加工方法有两种，一种是行切法，另一种是环切法。实践表明，采用这两种方法加工时，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。然而，行切法加工时，会在进给起止点处留下未切掉的金属，对零件的表面质量造成影响。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连续、平稳，避免切削力突变，可将环刀法作为首选，刀具的移动方式调整为圆弧移刀[5]。
（4）在薄壁零件加工的过程中，对高度控制时，需要采用平面铣削的方式，这种铣削方式的特点是刀具轨迹简单、便于操作，刀具为平面铣刀，其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，光洁度要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，但它每次走刀都要抬刀，导致铣削过程的用时较长，生产降低。为实现优化的目标，可将这两种方式结合运用，取长补短，达到最优。
3.4改进工艺方案
薄壁零件数控加工对精度的要求比较高，为在保证质量的前提下，提高零件的加工精度，应当对工艺方案优化改进。具体如下：薄壁零件要先在数控铣床上对外表面进行加工，并根据设计要求完成钻孔；对零件的端面粗加工，利用热处理中的退火工艺消除零件的应力，之后转入精铣工序；要防止新的加工应力引起零件变形，在粗加和精加时，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，之后将刀具参数、载荷布置等因素对零件加工质量的影响全部消除，这样便可以得到质量达到、精度合格的薄壁零件[6]。
4结论
综上所述，数控加工是薄壁零件的主要生产方式，由此使得加工工艺成为影响零件质量和精度的关键因素。随着薄壁零件用途的不断拓宽，对其精度和质量的要求也随之提高。为满足应用需求，应当分析影响薄壁零件加工工艺质量的因素，据此采取有效的方法和措施，对加工工艺优化改进，使薄壁零件的整体质量达到相关标准的要求。
参考文献
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[3]王科健.基于VERICUT优化薄壁零件加工工艺参数的研究[J].中国设备工程,2021(24):103-105.
[4]饶凤.关于航天薄壁框架类零件数控加工变形抑制方法的研究[J].内燃机与配件,2021(22)71-72.
[5]吴宝海,郑志阳,张阳,张莹,郑天飞.面向薄壁零件加工变形与振动控制的智能装夹技术研究进展[J].机械工程学报,2021(17):21-34.
[6]淮妮,白瑀.基于LOM技术的大尺寸薄壁机械零件自动化加工方法研究[J].自动化与仪器仪表,2020(3):168-170,174.
作者简介：陈祥：民族：汉，出生年月：1987.07，性别：男，籍贯：江苏东台，最高学历：本科，毕业院校：天津职业技术师范大学，职称：讲师，研究方向：数控铣、数控车及加工中心。
