薄壁零件加工教學(xué)

薄壁零件加工教學(xué)薄壁零件加工教學(xué)

中圖分類號：G712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1005-1422〔2022〕06-0084-03

一、引言

零件在加工過程中由于各種因素導(dǎo)致變形是無法打消的，零件在加工中變形的大小除了與零件本身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)有關(guān)系外，也與加工中零件的裝夾方式、刀具選用、切削用量及冷卻液的選擇等有很大的關(guān)系。材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與其用途有關(guān)，有時是無法取代的，因此，我們在零件材料一定的情況下，必須從加工過程中想方法，比方采用正確的裝夾方式、合理選用刀具、切削用量、冷卻液等，這些是減少零件變形的關(guān)鍵所在。

薄壁零件變形最大，最難控制，主要原因是薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在加工中極易產(chǎn)生變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。由于薄壁零件重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用極為廣泛。因此，為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)加工薄壁零件，筆者特意選擇了結(jié)構(gòu)不容易變形、精度要求不高、外表曲面粗糙度要求較高的旋鈕圖案〔圖1〕。

二、工藝分析

零件材料為鋁合金。

零件結(jié)構(gòu)分析：零件總體結(jié)構(gòu)比擬簡單，但屬于薄壁腔體零件，壁厚僅有1mm。加工中要清除大局部材料，會產(chǎn)生銑削熱量，從而導(dǎo)致零件產(chǎn)生熱變形，這一點(diǎn)是我們制定工藝計(jì)劃前必須考慮的。薄壁零件加工的影響因素主要還有下列幾個方面：

①裝夾時零件產(chǎn)生彈性變形，嚴(yán)重影響加工外表的幾何精度和位置精度；

②切削力作用使零件產(chǎn)生變形；

③機(jī)床、附件、夾具本身剛性缺乏，影響加工精度；

④切削振動也是造成加工誤差的重要原因；

⑤零件的厚度要保證均勻；

⑥保證零件外表的粗糙度。

上述諸原因，我們在加工前就要逐一解決，制定加工的計(jì)劃。

我們加工采用的數(shù)控銑床是發(fā)那科系統(tǒng)的華亞數(shù)控銑床，轉(zhuǎn)速最高為6000r/min，進(jìn)給最高F為8000mm/min，裝夾工件只有平口鉗，銑刀材質(zhì)為高速鋼，毛坯為70X70X20mm。

三、加工過程

1.選擇裝夾方式

由于該零件屬于腔體薄壁零件，在銑削加工中不能按常規(guī)采用平口鉗裝夾，因?yàn)槠娇阢Q裝夾使零件受力情況不理想。零件在加工中隨著大局部材料的清除，其垂直受力方向有變，因而產(chǎn)生變形。但是工件并沒有對精度要求很高，保證視覺上的完整就可以了，我們也只有平口鉗可以裝夾，因此，在教學(xué)過程中，選擇了平口鉗裝夾的方式。為了防止夾壞工件，要求力度不能太大，工件用銅片包裹裝夾，裝上平口鉗以后用手大力搖不動就行。剛開始加工由于毛坯比工件高出8mm，所以只要裝夾4～6mm就可以了。

2.對刀辦法

無論正背面，都是利用平口鉗的平面作為Z軸高度基準(zhǔn)來對刀，比方：毛坯安裝以后，最高面到平口鉗平面的高度為15.7mm，對刀的時候把這個高度差定為15mm，通過機(jī)床坐標(biāo)來把Z軸零點(diǎn)設(shè)在毛坯外表，更換刀具的時候統(tǒng)一用這種辦法，防止了加工后的毛刺阻礙Z軸對刀儀的擺放，又可以迅速更換刀具，保證了對刀的精度。

3.刀具選擇

數(shù)控加工對夾具的要求可以從下列兩個方面考慮：盡可能做到在一次裝夾后能加工出全部或大局部待加工外表，盡量減少裝夾次數(shù)，以提高加工效率和保證加工精度；盡量采用組合夾具、通用夾具，防止采用專用夾具。

刀具的選擇要求如下：要根據(jù)零件材料的性能、加工工序的類型、機(jī)床的加工能力以及準(zhǔn)備選用的切削用量，來合理地選擇刀具。示例，對于銑削平面零件，可采用端銑刀和立銑刀；對于模具加工中常遇到的空間曲面和銑削，通常采用球頭銑刀或帶小圓角的鼻型刀。立銑刀有平頭刀〔r=0〕、球頭刀〔r=R〕和鼻型刀〔r在凹形輪廓銑削加工中，選用的刀具半徑應(yīng)小于零件輪廓曲線的最小曲率半徑，以免產(chǎn)生零件過切，影響加工精度，如圖3所示。在不影響精度的情況下，刀具半徑盡可能取大一點(diǎn)，以保證刀具有足夠的剛度和較高的加工效率。

旋鈕圖案對上外表的粗糙度要求很高，在工件銑平面的時候留0.2mm，外表有曲面和平面相切，因此，采用圓鼻刀來兼顧曲面和平面，可以一起加工，保證了加工中的連貫性，防止了更換刀具帶來的誤差。

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4.旋鈕的分析與加工

編程的軟件采用CAXA制造項(xiàng)目師2022版，如圖1所示的零件是我校實(shí)施數(shù)控銑床工程教學(xué)的一個旋鈕實(shí)訓(xùn)工程，該零件是針對學(xué)生學(xué)完多面加工后，學(xué)習(xí)薄壁加工的綜合實(shí)例，該旋鈕的加工工藝比擬復(fù)雜，同時也是難點(diǎn)。需要保證外表粗糙度，保證零件的變形不能太大，工件裝夾比擬麻煩，尤其是背面加工內(nèi)壁的時候。

〔1〕零件構(gòu)圖十分簡單，通過幾個簡單的步驟〔圖4〕就可以完成實(shí)體構(gòu)圖。

〔2〕剛開始加工上外表時使用直徑16的白鋼刀，粗加工就可以，層高3mm，轉(zhuǎn)速S為3800r/min，進(jìn)給量為1200mm/min，用輪廓線精加工來編程，而上外表曲面余量那么是用等高粗加工來完成。精加工曲面時要注意選擇不同的加工辦法，加工的曲面會有不同的粗糙度，為此我們嘗試了等高精加工、參數(shù)線精加工、掃描線精加工、輪廓導(dǎo)動精加工等辦法來進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：等高精加工刀路不均勻，加工時間太長，出現(xiàn)重復(fù)加工，提刀次數(shù)密集；參數(shù)線精加工計(jì)算時間太長，中間平面無法加工；掃描線精加工從電腦顯示的刀路來看比擬好，刀路均勻，沒有太大問題，但加工出來后工件外表光潔度、粗糙度都不能滿足要求〔圖5〕；輪廓導(dǎo)動精加工刀路均勻，電腦編程計(jì)算速度在之前幾個精加工中最快，占用的內(nèi)存也最少，因此，傳輸?shù)臅r間也變短了，加工出來后外表會有一條進(jìn)刀痕較為明顯〔圖6〕，但是觸摸起來并沒有什么問題，總的來說是最優(yōu)的。內(nèi)壁如何加工決定了殼體的厚度和零件變形的程度。由于毛坯的厚度有20mm，而零件高度是12mm，因此，在上外表加工外形時，我們特意把深度加工為14mm，背面加工的時候裝夾好，簡單地對XY軸進(jìn)行對刀，Z軸那么要利用平口鉗的平面來對刀計(jì)算高度，用銑平面把多余的材料切掉，通過不斷的Z軸零點(diǎn)的調(diào)整來保證零件12mm的高度，然后再換上分中棒進(jìn)行精確分中。這里的關(guān)鍵是在Z軸的對刀上，比方：使用Z軸對刀儀來對刀，對刀儀放在平口鉗的平面上，對好以后的高度是50mm，而工件Z軸零點(diǎn)距離平口鉗的平面是5mm，則刀具最低點(diǎn)離工件零點(diǎn)是50-5=45mm，只要在機(jī)床輸入“Z45.〞就完成Z軸對刀了。之后更換的刀具也是使用同一種辦法去對刀，同樣是輸入“Z45.〞，這樣就保證了統(tǒng)一的基準(zhǔn)，縮小了零件厚度的誤差，防止換刀以后對刀出現(xiàn)大的誤差而導(dǎo)致工件嚴(yán)重報廢。

對刀以后將是對內(nèi)壁進(jìn)行加工，切削用量圖7對切削力的影響是至關(guān)重要的。精加工薄壁零件一般應(yīng)降低和控制切削用量，增加切削次數(shù)，勻速切削，以便減少切削力和切削熱。假設(shè)切削面積相等，增加走刀量比增加切削深度的切削力小。而切削速度對切削力的影響是不斷變化的，一般應(yīng)采用較高的切削速度。所以選用合理的切削參數(shù)是傳統(tǒng)加工薄壁零件時所應(yīng)考慮的重要措施之一。因此，在加工內(nèi)壁時無論使用何種刀具切削深度都要較少，機(jī)床的轉(zhuǎn)速只有6000r/min，選擇加工的層高參數(shù)是平時使用的層高的一半下列，而進(jìn)給量是平時的一倍以上，加工時再根據(jù)實(shí)際加工來調(diào)整進(jìn)給量。加工旋鈕上外表時，底部留了3mm高，1mm的余量，在背面加工時采用雙面對稱清除余量辦法，即在加工中交錯進(jìn)行薄壁兩面的加工〔CAXA制造項(xiàng)目師中的等高精加工使用XY優(yōu)先加工辦法〕，但是，在這之前要先進(jìn)行粗加工，余量留0.5～1mm為好，通過提高零件薄壁的剛性來減少零件的變形，最終我們就可以加工出想要的工件了〔圖7〕。

四、結(jié)束語

以上介紹了加工薄壁零件在有限的條件和資源下需要注意的一些辦法和技巧，但在專