營 夢，吳小四，張 芹

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥230601）

薄壁件加工工藝分析與研究

營 夢，吳小四，張 芹

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥230601）

薄壁結(jié)構(gòu)零件被廣泛應(yīng)用在汽車、航空、航天、造船、家電、機(jī)械等制造行業(yè)。特別是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，使得機(jī)械設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域?qū)?fù)雜零件的加工制造等都實(shí)現(xiàn)了良好的現(xiàn)代化。文章以金屬薄壁件煙灰缸為例，通過并結(jié)合煙灰缸的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工工序設(shè)計(jì)以及加工工藝的處理優(yōu)化和UG仿真建模等，實(shí)現(xiàn)了良好的尺寸協(xié)調(diào)性,使薄壁件的加工技術(shù)在一定程度上有所突破。

金屬薄壁件；UG；自動(dòng)編程；仿真加工

1 薄壁件加工工藝分析與研究的背景

1.1 金屬薄壁件的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，由于航空航天、汽車等制造業(yè)迅速發(fā)展，在制造加工過程中對于鑄件的要求越來越趨向于薄壁、高精度、高性能、集成化。人們愈來愈關(guān)注金屬薄壁件廣泛應(yīng)用于制造車輛、航空航天、軍械方面的優(yōu)勢[1]。所以，加快制造業(yè)中金屬薄壁件的發(fā)展步伐具有很大的意義。

另外，由于薄壁件的剛性較差，所以金屬薄壁件的加工向來是比較棘手的。而難以解決的并且一直困擾著機(jī)械加工行業(yè)的課題，就是薄壁零件機(jī)械加工的變形問題[2]。通常通過數(shù)控加工的方法進(jìn)行加工。為此，要對刀具幾何參數(shù)設(shè)定，程序的編制等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]，來保證加工順利完成。

1.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展

近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速普及。CAD/CAM對于機(jī)械制造業(yè)而言是提高產(chǎn)品和制造質(zhì)量、減少產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)效益的強(qiáng)有力工具。另外，工業(yè)生產(chǎn)對加工模具的設(shè)計(jì)工藝要求越來越嚴(yán)格，以往的模具加工方法似乎已經(jīng)不能夠滿足加工的要求，這樣就迫使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在模具設(shè)計(jì)以及加工制造中的發(fā)展和進(jìn)步。在二十世紀(jì)八十年代，CAD/CAM技術(shù)仍然是被普遍應(yīng)用于注射模具、模具鑄造、壓鑄模具的制造與設(shè)計(jì)等方面[4]。

國際上在航空航天、汽車等各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)部門都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)模具CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用。比如波音飛機(jī)公司在波音777飛機(jī)上通過利用模具生產(chǎn)技術(shù)對所有的零件進(jìn)行了三維實(shí)體建模，比以往的策劃和裝配程序效率大大提高，并設(shè)計(jì)出除了發(fā)動(dòng)機(jī)以外的其他全部機(jī)械零件。

相比之下，國內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究和應(yīng)用要落后于國外，但是也有一些相對比較成功的案例，例如國內(nèi)的云馬飛機(jī)制造公司采用CAD/CAM技術(shù)，將其成功地運(yùn)用到模具設(shè)計(jì)制造與加工中，并且實(shí)現(xiàn)了較高難度的薄壁件的數(shù)控加工，減小了零件的開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

2 數(shù)控加工中心加工工藝概述

2.1 薄壁件變形因素分析

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，影響薄壁件加工變形的因素很多，常見的主要有：

1.切削熱導(dǎo)致的工件變形，切削熱產(chǎn)生的原因主要是被切削的金屬在刀具的作用下，發(fā)生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個(gè)重要來源。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要耗功，也產(chǎn)生出大量的熱量。所以，在切削工件時(shí)共有3個(gè)發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū)，而對于切削熱的主要來源就是切屑變形功以及前、后刀面的摩擦功。切削速度提高，也會(huì)引起切削溫度升高。對于切削熱引起的變形應(yīng)該采取的措施：（1）采取冷卻效果較好的冷卻液來進(jìn)行加工冷卻；（2）選用前角較大的刀具；（3）在切削速度不變的情況下，適當(dāng)加大走刀量。

2.夾緊工件時(shí)夾緊力導(dǎo)致的工件變形，當(dāng)裝夾過程中，由于工件壁比較薄，夾緊力稍大就會(huì)引起工件發(fā)生變形，所以對于夾緊力引起的變形一般采取的措施是正確選擇合適的套筒夾具，進(jìn)而來增加裝夾接觸面積，或者是增加輔助加緊點(diǎn)。

2.2 加工的刀具選擇

為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高效率、高速度和高自動(dòng)化程度的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控加工刀具的選擇必須規(guī)范合理。通常數(shù)控加工刀具包含著通用刀具和連接刀柄等。在選取刀具時(shí)，刀片的外形和材質(zhì)的選擇應(yīng)該要首先根據(jù)工件形狀、加工條件和工藝選擇等有關(guān)情況來選擇，在綜合考慮其他刀具的要求后，然后再根據(jù)刀片和加工中心的加工要求，選擇合適的刀柄或刀桿，進(jìn)行組裝，各種刀具應(yīng)該安裝在加工中心機(jī)床的刀庫中，并且按照程序進(jìn)行換刀。此外，和普通刀具相比較，數(shù)控加工刀具有很多不同的要求，主要有下列特征：（1）剛性好、精度高、耐沖擊性和熱變形??；（2）良好的互換性，方便快捷換刀；（3）高性能刀具壽命較高，切削性不僅穩(wěn)定且可靠；（4）按照標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的要求，有利于程序的編輯和刀具的規(guī)范管理。

刀具對零件的加工質(zhì)量同樣具有重要的影響，不同的加工效果一般是由不同材質(zhì)的刀具引起的。例如刀具的前后角、及刀具的主偏角同樣可以影響同一把刀的加工能力[5]。為確保加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，在選擇刀具過程中綜合考慮以下3個(gè)因素：（1）刀桿有足夠的穩(wěn)定性和剛性[6]。（2）刀片應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、硬度和耐用度。（3）刀片要盡可能的采用標(biāo)準(zhǔn)刀片[7]。

2.3 切削用量的選擇

數(shù)控加工中心銑加工過程中，加工參數(shù)包括切削深度，切削速度，切削寬度進(jìn)給量。對于切削用量三要素的合理選擇，通常是根據(jù)加工性能和確定背吃刀量ap的加工余量來選取。粗加工時(shí)，加工余量同時(shí)保留，如果允許機(jī)床剛度，加工余量應(yīng)盡可能降息，以減少路徑數(shù)。選用硬質(zhì)合金刀具在中等功率機(jī)床上加工工件時(shí)，粗加工取ap=2mm-6mm，精加工取ap=0.3mm-2mm[8]。確定進(jìn)給量f:進(jìn)行粗加工時(shí)，對工件的表面加工質(zhì)量要求不高，當(dāng)切削力偏大時(shí)，進(jìn)給量的選取是受切削力的主要影響。在刀桿、刀片和走刀機(jī)構(gòu)強(qiáng)度允許的情形下，通常選擇較大的進(jìn)給量；在半精加工和精加工時(shí)，進(jìn)給量的選取主要受加工表面質(zhì)量的限制的原因是因?yàn)楸吵缘读坎淮螅a(chǎn)生的切削力較小。但進(jìn)給量不能選的太小，否則不僅生產(chǎn)效率低，而且因?yàn)榍邢骱穸忍∮绊懬邢?，進(jìn)而影響加工質(zhì)量[9]。確定切削速度：一旦確定刀具的使用壽命T、背吃刀量ap及進(jìn)給量f之后，便可按公式計(jì)算切削速度vc，即隨著主軸轉(zhuǎn)速微調(diào)數(shù)控機(jī)床的控制面板開關(guān)，具有主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整的整倍數(shù)。

3 基于UG的煙灰缸建模

3.1 UG軟件的介紹

UG是德國西門子公司開發(fā)的比較強(qiáng)大的一款三維系統(tǒng)軟件，包括整合產(chǎn)品生命周期管理軟件的CAD/CAE/CAM[10]。UG是從CAM發(fā)展而來的。NX是UGS新一代的數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過利用調(diào)換進(jìn)程來帶動(dòng)產(chǎn)品的更新。而NX8.0系統(tǒng)無縫集成應(yīng)用程序除了能夠迅速交付產(chǎn)品和過程的變化訊息，還能夠從設(shè)計(jì)概念到制造加工產(chǎn)品，使用一個(gè)統(tǒng)一的解決方案用于主體參與和產(chǎn)品開發(fā)。同時(shí)NX8.0也能夠在建模的靈活性和生產(chǎn)力方面樹立起牢固的領(lǐng)先地位，在開發(fā)過程中可以隨時(shí)與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流[10]。

3.2 煙灰缸建模

圖1 零件圖

4 基于UG煙灰缸的自動(dòng)編程

4.1 煙灰缸數(shù)控加工工藝分析

該煙灰缸的表面光滑度要求很高，主要是由曲面、平面和凹槽組成的，結(jié)構(gòu)比較簡單，尺寸要求不高。加工材料可選為45號(hào)鋼，采用硬質(zhì)合金刀加工。

加工方案：對于該煙灰缸采用粗加工，半精加工，精加工的方法來保證加工質(zhì)量。加工選擇在立式銑床上逆銑加工。工件在加工過程中，采用平口鉗進(jìn)行裝夾，在裝夾過程中要注意工件和平口鉗的矯正[11]。刀具選用端面銑刀和球頭銑刀。

該零件在裝夾時(shí)應(yīng)采用互為基準(zhǔn)的方法，做到準(zhǔn)確的定位和夾緊以提高表面加工的形狀精度，另外要避免手動(dòng)調(diào)整方案。

加工工步：用?10cm端銑刀粗銑煙灰缸的所有輪廓；用?8cm球頭銑刀半精加工煙灰缸所有輪廓；用?6cm球頭銑刀精加工煙灰缸所有輪廓；用?5cm端銑刀精加工煙灰缸周邊輪廓。

切削參數(shù)的選擇：在粗加工時(shí)，留0.1mm的精加工余量，通過參考切削用量手冊[12]，來確定主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。切削速度設(shè)為80mm/min。另外，可以通過公示vc=dn/1000，計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速。

4.2 煙灰缸的加工

1.型腔粗加工（型腔銑）

圖2 刀具軌跡

2.外部輪廓粗加工

圖3 刀具軌跡

3.輪廓區(qū)域粗加工

圖4 刀具軌跡

4.外部輪廓精加工

圖5 刀具軌跡

5.輪廓區(qū)域精加工

圖6 刀具軌跡

6.周邊輪廓的精加工

圖7 刀具軌跡

4.2.1 數(shù)控機(jī)床的常用指令

1.G00-快速定位 格式：G00 X（U）_Z（W）_

2.G01-直線插補(bǔ) 格式：G01 X(U)_Z(W)_F_ (mm/min)

3.順時(shí)針圓弧插補(bǔ)G02，逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)G03用I、K（對應(yīng)X、Z，為圓心相對圓弧出發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)）擬定圓心位置，格式：G02（G03）X(u)_Z(w)_I_K_F_

4.其它常用指令 M03：主軸正傳 M04：主軸反轉(zhuǎn) M05：主軸停止 M00：程序暫停 M01：計(jì)劃停止M02：程序停止M30：程序結(jié)束，指針返回到開頭M08：液狀切削液開 M09：切削液關(guān) G90：絕對坐標(biāo)編程 G91：增量坐標(biāo)編程

4.2.2 部分煙灰缸輪廓程序

N0010 G00 G90 X-5.583 Y.3444 U0.0 V0.0

N0020 G01

N0030 G03 X-5.6815 Y.4428 I.0985 J0.0

N0040 G01 X-5.8835

N0050 G02 X-5.9749 Y.5162 I0.0 J-.0936

N0060 G01 X-5.9775 Y.5282

N0070 G02 X-5.9788 Y.5488 I-.0656 J-.0144

N0080 X5.9777 Y.5605 I-5.9788 J.5488

N0090 X5.9758 Y.5181 I.1249 J.0156

N0100 X5.8823 Y.4428 I.0935 J-.0204

N0110 G01 X5.4852

N0120 G02 X5.3936 Y.5066 I.0019 J-.0949

N0130 X5.3865 Y.539 I-.094 J-.0377

N0140 G03 X-5.3865 I5.3865 J.539

N0150 G01 X-5.3876 Y.5282

5 結(jié) 論

UG數(shù)控仿真加工實(shí)踐證明，采用以上不斷優(yōu)化的加工方案進(jìn)行加工的薄壁件質(zhì)量不僅能夠滿足實(shí)際需要，并且還可以滿足薄壁件尺寸、形狀、位置等的精度要求，另外工件表面的粗糙度與裝配的質(zhì)量也都能符合產(chǎn)品加工要求，為同類產(chǎn)品加工提供了借鑒。

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責(zé)任編輯：胡德明

An Analysis and Research on the Processing Craft of Metallic Thin-walled Parts

Ying Meng,Wu Xiaosi,Zhang Qin
(Anhui Sanlian University,Hefei 230601,China)

Thin-walled parts are widely used in automotive industry,aviation,aerospace,shipbuilding, electrical appliances and machinery manufacturing industry.The development of computer aided design and manufacturing technology in particularhashelped realize the modernization ofthe processing and manufacturing of complex parts in mechanical design and manufacturing.The article,taking thin-walled metal ashtray as an example,makes a breakthrough in the processing technology of thin-walled parts to a certain extent.The size of the ashtray achieves coordination through processing procedure design based on the design requirements,processing technology optimization and UG simulation modeling.

metallic thin-walled parts;UG;automatic programming;simulation process

TG801

A

1672-447X(2016)05-0009-004

2016-08-27

安徽三聯(lián)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（kjyb2016007）

營夢(1990-)，安徽宿州人，安徽三聯(lián)學(xué)院助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM。