通一法解萬變！關於薄板零件數控銑削加工變形的若干事

隨著薄板零件在航空航天、船舶、汽車、家用電器等行業的廣泛應用，薄板零件的加工變形已成為一個急需解決的問題。使用通用夾具裝夾和傳統加工工藝是造成加工後零件變形的主要原因。今天夾具俠為大家分享一篇文章，在分析零件結構特徵及加工變形影響因素的基礎上，從夾具設計、工藝方法改進、銑削加工工藝改進等方面入手，探討控制薄板零件加工變形的夾持方法、合理的加工工藝。

一、薄板零件加工變形原因分析

某航空產品中，為實現特定的功能使用了一種材質為鋁硅合金(50％Si)、厚度僅為3mm的薄板零件，該零件要求在150mm×20mm×4mm的毛坯中間通過雙面加工方式銑削出120mm×20mm×3mm的輪廓(上下各銑0.5mm)。且變形量控制在0.03mm之內。對該薄板零件採用平口鉗夾緊方式和傳統的數控銑削工藝進行切削加工後發現。在切削力、切削熱、夾緊力及應力的作用下，薄板零件產生了扭曲變形，變形量超出了允許的範圍，產品質量無法得到保證。

依據加工變形相關理論研究，造成薄板零件加工變形的主要原因有工件裝夾時的夾緊變形；加工過程中切削力、切削熱導致的加工變形；切削殘餘應力釋放帶來的變形等。通過對該薄板零件銑削加工過程每個階段的變形檢測與分析研究得出造成薄板零件變形的原因主要有夾緊力變形、切削加工變形等。

1.1 薄板零件夾緊力變形分析

薄板零件採用平口鉗裝夾時．由於工件與鉗口的接觸面積較小。在夾緊力的作用下，薄板零件會沿著與夾緊力相垂直的法向方向上呈現出拱起現象，如下圖。其次，因為薄板毛坯料下料表面的不平整，使得毛坯料在平口鉗中所受的夾緊力不均勻而出現翹起現象，在上述綜合作用下，薄板零件出現了裝夾扭曲變形。

1.2 薄板零件切削加工變形分析

薄板零件銑削加工時，在切削力的作用下，刀具與工件接觸的切削層中毛坯殘餘應力被釋放，從而打破了毛坯原有的應力平衡狀態，使得工件產生了塑性變形。隨著材料切除的進行，在刀具與工件、切削摩擦產生的切削熱作用下。工件產生了熱膨脹，使得工件沿長度方向和寬度方向殘餘應力發生了變化，繼而有了向兩向自由伸展的趨勢，但由於平口鉗的限制使得薄板零件不能自由地延伸。繼而就出現了熱變形，種種變形疊加在一起，造成工件加工後變形嚴重，出現產品質量超差。

二、薄板零件夾具設計

針對上述變形原因，主要從以下方面進行改進與實踐，以控制薄板零件銑削加工變形。

薄板零件採用平口鉗夾緊，在夾緊力作用下造成了薄板零件拱起，加上薄板零件加工中產生的熱變形由於平口鉗的限制而無法釋放，加重了零件的變形。所以，一種合適的薄板零件夾具不僅要解決夾緊力變形，在一定程度上還要能減小切削力、切削熱造成的變形，為此，根據薄板零件的結構特徵及材料特點。針對該薄板零件設計了一套專用夾具，夾具的具體結構如下圖所示。

該薄板零件夾具包括夾具體和位於夾具體上的夾具結構。夾具體材質為鋁。其底面與兩長邊側面經過磨削加工後，通過墊鐵墊高夾緊於平口鉗中，與加工中心機床工作台連接。夾具結構包括位於夾具體頂面正中間的下料槽、位於下料槽上方的薄板零件結構槽、對稱分布於薄板零件結構槽兩側的圓弧封閉槽、位於夾具體底面的固定槽和位於下料槽兩側開口處附近的螺釘孔。夾具結構是通過銑削加工夾具體獲得。加工時重點控制零件結構槽的尺寸精度，以保證薄板零件能與零件結構槽按要求配合。

裝夾時，薄板零件放置於夾具結構的結構槽中。薄板零件的右端與結構槽的定位基準面接觸，實現準確可靠定位，其左端無限制，給予自由的伸展空間，以釋放加工中的應力變形．零件通過兩端的壓板、六角螺釘、墊片、螺母夾緊固定於夾具體中，解決平口鉗夾緊時的夾緊力變形。由於該薄板零件需上下兩面加工，所以當薄板零件反面加工時，在零件與結構槽底面之間放置有銅版紙，起到支撐零件、減小零件加工變形的作用。該夾具除了實現準確可靠定位、減小薄板零件加工變形作用外，還可根據薄板零件尺寸變化反覆加工薄板零件結構槽，起到適應成組零件加工的需要。

三、薄板零件加工工藝改進

3.1 工藝方法改進

薄板零件工藝流程的第一步是下料．採用的是傳統的鋸削加工方式．鋸削過程產生的切削熱和切削力使得毛坯應力重新分布而引起了毛坯的變形。鋸削也使得毛坯四周毛糙、尺寸大小不一，帶來了後續加工的裝夾變形，影響了薄板零件的變形量控制。線切割加工是一種利用電火花放電進行加工的工藝方法，具有加工餘量小、應力小，變形小、表面質量好的特點。在薄板零件加工中得到了廣泛的應用。改進後薄板零件的工藝流程，將毛坯的下料方式由鋸削加工改為線切割加工，經過實踐驗證。減小了毛坯的變形，提高了毛坯的質量。

3.2 銑削加工工藝改進

在薄板零件銑削加工過程中，發現即使毛坯下料方式改變減小了毛坯的變形．專用夾具解決了裝夾的變形。但仍然存在著影響薄板零件加工變形的因素．如高速與低速切削、環切法與行切法走刀路線等都影響著薄板零件加工的變形和加工後的表面質量。

①採用高速切削加工

與傳統切削加工相比，高速切削加工由於採用較小的切削深度和較窄的切削寬度使得加工過程切削力小，加工變形少；快速進給使得切屑迅速排出。減少了存留於工件中的切削熱和工件的熱變形，因此，採用高速切削加工在切削高硬度材料、薄板零件方面具有較大的優勢。該薄板零件需要正反面各加工深0.5mm。在低速銑削加工時，採用了一次走刀去除餘量的方法，由於切削寬度大，刀具與薄板零件接觸停留的時間長。銑削加工的切削力較大、溫升高，切削力及切削熱導致的應力變形和熱變形，造成零件加工變形超差。而採用銑削速度140m/rain，銑削進給量0.03mm/n，銑削深度0.5min，銑削寬度1mm對薄板零件進行加工時，在切削寬度減小、進給速度增加、轉速提高的情況下，切削力減小。切屑迅速帶走了熱量，零件的熱變形大大降低，加工後經變形檢測，變形量得到了有效的控制。

②優化銑削加工走刀路線

數控銑削常用的銑削加工路線為行切法、環切法、先行切再環切3種方法．考慮到該板類零件的結構特徵及所設計的夾具特點，在安排高速銑削加工的切削路線時採用了一種「單向輪廓」形式的行切法。銑削加工的起始位置安排在薄板零件的後側方，在刀具垂直下刀至切削深度後，沿縱向從毛坯外慢速向工件進刀至切削寬度處。接著沿橫向(長度方向)高速切削加工至薄板零件的另一端，刀具轉成與切削進給垂直的方向，向毛坯外退刀，離開工件，最後抬刀至一定的高度後返回起始位置，如此反覆進行。通過重複的單向輪廓切削路線完成薄板零件的銑削加工，所採用的單向輪廓行切法。其切削的方向均朝向夾具結構的定位基準面，不僅避免了採用環切法時由於切削力方向的改變而造成的薄板零件在夾具中的位置變化，而且使得加工中的變形朝著薄板零件自由延伸的一端釋放。從而減小了切削加工後的變形。

同時．為了減小銑削加工過程中的熱變形，採用了極壓水基切削液對刀具及薄板零件進行澆注，以帶走熱量，降低切削加工溫度，降低銑削力，減少變形。

結 語

通過分析薄板零件銑削加工變形的原因，採取了設計減小薄板零件加工變形夾具、改進T藝方法、優化加工路線等措施，減小了薄板零件夾緊變形及銑削加工切削力、切削熱引起的變形，使得薄板零件加工變形量從原來的0.036mm減小為0.021mm，保證了零件的精度。經實踐驗證，有效地控制了薄板零件的變形。