浅谈薄壁类零件高效铣削加工方式

谢蓓

摘 要：航空零部件具有结构复杂、壁薄、精度要求高和制造工艺性差等特点，在切削力作用下极易产生变形而引起表面误差，严重影响加工精度，是近年来航空制造技术中比较突出的问题之一。该文通过理论研究总结并对现场典型薄壁零件加工效果分析论证，对工件装夹、定位方法、工艺加工方法、刀具路径优化进行探讨，寻找薄壁类零件高效铣削加工方式。

关键词：薄壁件；刀具路径；高效铣削

中图分类号：TG506 文献标志码：A

1 变形原因分析

薄壁类零件加工变形产生的原因很多，与毛坯内应力、毛坯形状、刀具材料、刀具几何角度、刀具刚度和磨损、夹紧力、定位精度、夹紧位置、机床精度、机床刚性、切削参数（包括切削深度、切削速度、进给量）、零件材料和结构、刀具路径、加工顺序、冷却液、环境等因素都有关系。这些因素中起主导作用的也有所不同，产生的加工变形形式与变形程度也会有些交互影响，其中以切削力、切削热、切削振颤的影响最为严重，是造成大部分零件加工变形，尺寸超差，装配失效的主要因素。

2 解决零件加工变形的有力措施

2.1 刀具路径优化

通过实验论证可以发现，零件壁厚与零件整体刚性成正比，即随着零件壁厚降低零件刚性也降低。而在机械加工中均会随着不同程度得到切削振动，当零件刚性不足时，会加速和加重这种切削振颤，极大地影响零件的加工精度和加工质量。

为了使切削过程具备稳定性和可靠性的特点，保证加工质量，一般普遍采用而且最为有效的方法就是从刀具路径优化着手。主要方法有：第一，合理安排切削加工顺序，配合粗、半精、精加工方式合理选择各个加工平面顺序，选择相对尽可能少的走刀路径、换刀次数、装夹次数；第二，铣削复杂型腔或镂空面积较大的零件时，可以先将零件未铣削部分做为正在铣削部分的支撑面，这种分步铣削的方式可以有效提升复杂型面的加工刚性；第三，在切削参数方面，采用大径向切深、小轴向切深的分层铣削方式，特别是在一些深腔底面和侧面加工中，采用高转速、小进给、小切削深度参数设定的方式，可以有效提升切削加工稳定性，使刀具、工件、机床三者达到一个相对较优的平衡，提高切削过程的刚性和稳定性。

2.2 采用高速铣削方式

高速切削加工工艺和传统切削加工工艺主要的区别体现在一些切削参数差异。传统切削一般采用低转速、大切深、小进给、往复加工的方式，而高速切削则一般采用高转速、中切深、大进给的铣削方式。由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技术同时还具有如切削力小、材料切除率高、热变形小、加工精度高和加工效率高5个优势。

2.2.1 切削力小

由于采用小切削量、高切削速度参数，使切削力相对减少了30%以上，同时零件径向切削力的减幅会尤其明显，可以有效减少日常的刀具磨损，提高刀具使用寿命。

2.2.2 材料切除率高

切削速度和进给速度都大幅度提高，相应的材料切除率也幅提升。

2.2.3 工件热变形小

高速切削可以通过切屑高速流出的方式带走一部分来不及传给零件的切削热，所以零件本身不会由于温度过高而导致热变形，同样可以得到较高的表面精度。

2.2.4 加工精度高

高速切削的小进给量和小切削力可以有效降低加工振动，使加工系统更为平稳，从而獲得较高的尺寸精度和较好的表面粗糙度。

2.2.5 加工效率高

高速切削可以缩短整体加工时间，提升能源和设备的利用率。

2.3 工艺方法优化

以结构形式可以将零件分为2大类，分别是侧面带有辅助支撑和侧面无辅助支撑薄壁零件，其工艺优化主要方法也有所区别。

2.3.1 侧面带有辅助支撑薄壁零件

为了解决装夹力和切削力引起的此类零件加工变形问题，可以铣削贴合零件内腔型面的简易工具作为内部支撑；也可以利用材料熔点低于待加工薄板的材料或者石膏浇注入薄壁结构型腔内，填补待加工零件的型腔，同时辅助常规的通用工具进行装夹，有效防止零件内缩变形、应力释放不均导致的切削变形。

2.3.2 侧面无辅助支撑薄壁零件

对于侧面无辅助支撑或在内腔区域不能添加辅助支撑的薄壁零件，可以利用零件未加工部分作为支撑的优化方案，合理地调整工艺路线，将侧面镂空区域或者需要去除的部分安排在粗加工和半精加工后、安排在重要表面或者内腔加工完毕之后再进行大面积支撑材料去除加工，这样可以保证铣削内腔或者零件重要表面时，零件处于刚性可靠和切削平衡状态。在铣削路径上，要避免重复性的刀具轨迹，采用粗加工分层铣削，让应力均匀释放；进刀路径采用斜下刀方式也可以减少垂直分力对进刀区域的压力，避免加工变形。

3 典型薄壁零件铣削加工分析

3.1 零件结构分析

图1为某薄壁板类零件，外形尺寸239.4 mm×147.5 mm

×22 mm，四周侧面和内腔都存在凸台和型孔，侧面和底面壁薄最薄处仅为1 mm，零件在上下2个侧面和左右侧面上都有较重要的M3、M2.5螺纹安装孔。推测零件在铣削内腔时，可能会由于内腔铣削余量较大且侧面有一处镂空而极易产生张力和残余应力，极易加工变形，出现中间镂空部分会鼓出与四周壁薄不均匀的问题。

3.2 工艺路线、刀具路径分析

针对该零件结构情况，采用工艺路线如下：

①下料→②去应力→③铣外形→④铣一侧面凹槽，钻螺纹孔底孔→⑤铣另一侧面凹槽，钻螺纹孔底孔→⑥铣反面台阶面，钻孔→⑦粗铣正面，底面、侧面均各留2mm余量→⑧去应力→⑨精铣外形及内腔，铣侧面开口槽，钻孔→⑩去毛刺，扩孔，攻螺纹，校平。

3.3 总结工件加工效果

由于在加工之前对零件的性能、结构和可能发生变形的区域做了预测分析，所以在工艺路线设计时采用了粗、精分层加工，充分考虑了残余应力对零件变形的影响，先后进行2次去应力热处理，可以有效地去除加工应力。而对于工件壁薄只有1mm，局部区域会出现壁薄不均匀的问题，设计采用了先粗、后精铣工件内腔，最后再精铣工件两侧开口槽的方式，主要就是利用工件未加工部分作为支撑侧面零件能有一定的支撑力，防止先期切削变形。通过以上工艺方法进行试验加工，工件尺寸能够有效保证在公差内，有效改善加工变形，提高了整体加工质量，为此类薄壁零件高效铣削方式的进一步探索提供了可靠依据。

参考文献

[1]张超英.数控机床加工工艺、编程及操作实训[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]艾兴.高速切削加工技术[M].北京：国防工业出版社，2003.