浅析薄板类零件加工精度关键影响因素及其优化改善措施

◇驻宜昌地区军事代表室 胡晓峰

薄板类零件有着厚度薄、重量轻、强重比高等突出特点，被大量应用于军工制造领域。然而，正是由于其厚度较薄，导致切削刚度低，在机械加工过程中工件极容易产生变形，从而导致较大加工误差。本文首先讨论了此类零件的加工特点及不良影响，然后分析了其加工精度的关键影响因素，最后提出了相应的改善措施。

1 引言

随着我国新型工业技术的发展，对产品使用性能和产品质量的要求越来越高。对于军工制造领域而言，对零部件的设计和制造加工要求也越发严苛，在满足强硬度的基础上应该尽可能变得轻薄，因此大量薄板类大型结构件被使用在这些产品中。薄板类零件具有尺寸大、厚度薄、加工精度要求高及复杂的装配协调关系等典型特点[1]。正是由于其较薄的厚度，使得其加工刚度稳定性低，难以满足其高精度的需求，往往需要采用特别的加工手段，为机械加工工艺提出了新的挑战[2]。然而，现阶段这类薄板件的生产制造依然很大程度上仍然依赖数控铣削加工[3]。在铣削加工过程中，由于切削力的加载、自身呈现的弱刚性以及数控机床的运动误差等多方面因素使得薄板类零件会呈现较大的让刀变形，不可避免的造成加工误差，从而导致零件尺寸超差达不到使用要求。这些挑战不仅会制约产品的生产制造还会导致产品更新换代出现滞后。综上所述，为了满足薄板类零件较高加工精度的要求并提高生产率，需要进一步研究加工变形的影响因素及改善方法。

2 薄板类零件加工特点及不良影响

2.1 薄板类零件加工特性

薄板类零件由于其结构形状、材料特性，有着不同的加工特性，可以从以下三个维度进行总结：①形状结构特性薄板类零件长度和宽度方向的尺寸往往较大，而厚度相对较薄，在铣削加工过程中，厚度方向的物料被去除导致加工刚度越来越低，加工质量难以保证；②材料特性此类零件往往要求较高的强重比，因而常采用合金材料，此类合金材料的加工变形较为突出；③使用特性为保证此类零件的使用要求，其尺寸精度和配合精度往往要求较高，提高此类零件的加工及配合精度是提高使用性能的关键。

2.2 薄板类零件不良影响

切削加工过程的实质是加工系统中各部分之间力和刚度的较量。在铣削加工过程中，由于切削力的加载、自身呈现的弱刚性以及数控机床的运动误差等多方面因素使得薄板类零件会呈现较大的让刀变形，不可避免的造成加工误差，从而导致零件尺寸超差达不到使用要求。这一现象在待加工工件厚度很薄时显得尤为突出，此时工件变形对切削力的变化较为敏感，严重的情况下，还未等到零件加工完成，工件已经产生了较大的加工误差，无法满足预期加工精度。

3 薄板类零件加工精度关键影响因素分析

事实上薄板类零件加工是一个复杂弹塑性变形过程[4]，影响其加工精度的主要因素为切削力、工件材料以及加工工艺等，接下来分别从这三方面进行分析。

3.1 切削力

在薄板类零件的加工过程中，切削力和加工系统刚度不断较量，此类零件较低的加工刚度使得加工系统刚度处于下风。切削力不但加载会使工件产生较大的变形，还会使刀具产生变形；此外，加工完成后工件会也发生弹性变形。这一系列复杂的耦合变形使得由切削力导致的加工误差难以准评估。

3.2 工件材料

薄板类零件往往要求具备较高的强重比，因此工件材料一般是铝合金、钛合金等“软”材料，此类材料有着比强大、杨氏模量小等特点。这意味着其抗变形能力差，对切削力的抵抗力弱，而且当零件尺寸较大时，这个缺点会被进一步放大，从而导致加工误差进一步扩大，不能满足要求。

3.3 加工工艺

加工工艺从多个方面影响薄板类零件的加工精度。首先，加工工艺确定了工件的装夹方式，不合理的装夹方式会使零件加工精度下降，并且由于此类零件厚度较薄夹紧力也会引起工件变形。然后，加工工艺也会决定走刀路径和走刀次数，不同的刀路径及走刀次数会使加工变形分布不一致，从而影响加工精度。最后，加工工艺决定工艺参数，工艺参数不同加载的切削力也会不同，因此工件产生的加工变形和弹性变形也会不一致。

基于上述分析，在加工的工件一定时，加工工艺是影响薄板类加工精度的主要因素，优化加工工艺在一定程度上可以改善加工变形的发生，从而提高此类零件的加工精度。

4 薄板类零件加工精度优化改善措施

下面从优化加工工艺参数及实施加工误差补偿策略两个方面分别进行讨论。

4.1 优化加工工艺

（1）优化工件装夹方式。由于薄板类零件自身刚度低，装夹力也会导致其发生变形从而影响加工精度，通过优化装夹方式可改善装夹力，从而减小装夹对工件的影响。一方面可以通过实切实验来确定最佳方案；另一方面也可以建立有限元模型，模拟不同装夹方式下的工件加工变形分布，并从中选取最优方案。

（2）优化走刀路径。首先，拟定满足加工条件的多个走刀方案，然后利用实验或有限元的方法获得不同方案的加工变形分布，最后选择协调加工变形和加工效率的最优走刀路径。

（3）优化工艺参数。由于优化工艺参数需要大量数据支撑，可以采用有限元法探究工艺参数对工件加工变形量的影响。然后采用极差分析法[5]对计算结果进行分析，以确定各工艺参数对工件加工变形量的影响成都度。最后根据分析结果获得零件铣削工艺参数的最佳组合。

上述方法一定程度上可控制加工变形量，从而减少加工误差，但其改善效果有限，仍然有一部分材料由于弹性变形而无法被去除。

4.2 实施加工误差补偿策略

事实上，薄板类零件的加工误差与切削过程密切相关，随着名义切削深度的增加加工变形也会增加，由此造成的加工误差与名义切深的选择有关且存在着非线性函数关系[6]。因此，需要选择更加合适的名义切深，使得实际切削深度更加接近设计余量，以实现加工误差。首先，在刀具原走刀的基础之上，按照变形程度和机床运动误差为每个加工补偿点确定额外的刀具附加的偏摆量，来补偿因回弹和机床运动误差导致的加工误差；然后，通过数控补偿技术，一次走刀将残余材料切除，以提高薄板件的加工精度。

实施加工误差补偿策略兼顾了工件变形导致的弹性误差和机床本身的运动误差，因而可以进一步提高此类零件的加工精度。

5 结论

薄板类零件由于自身的弱刚性会引起工件变形，产生较大加工误差，给生产实践带来极大的挑战。为此，本文分析了薄板类零件的加工特点及不良影响，然后分析了切削力、工件材料以及加工工艺等关键因素对其加工精度的影响，基于此提出了对应的优化改善措施，对生产实际有一定指导意义。