邱述龍，李國(guó)平，李鏡懸

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000）

現(xiàn)代化金屬加工行業(yè)的發(fā)展，在一定程度上推進(jìn)了薄壁類金屬生產(chǎn)單位的高精度發(fā)展，現(xiàn)如今，高精度數(shù)控加工工藝已成為了衡量產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與制造水平的重要指標(biāo)。薄壁生產(chǎn)工藝與數(shù)控機(jī)床的集成，使前端產(chǎn)出的金屬構(gòu)件廣泛應(yīng)用到了市場(chǎng)領(lǐng)域，包括軍事制造、航空研發(fā)、醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)等[1]。相比常規(guī)的人工作業(yè)生產(chǎn)，數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)了使用數(shù)字化技術(shù)與信息化技術(shù)，對(duì)零件與機(jī)械刀位的控制，使設(shè)計(jì)的成果具有批量效率高、精度高、形狀多變等特點(diǎn)。

在新型加工工藝的發(fā)展下，我國(guó)的金屬制造市場(chǎng)開始與國(guó)外生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)接，一些金屬零件制造與生產(chǎn)加工單位逐步承接大批量薄壁類金屬加工項(xiàng)目，但綜合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，現(xiàn)如今我國(guó)的金屬生產(chǎn)市場(chǎng)在承接大型工程項(xiàng)目時(shí)，仍在加工工藝方面存在不足，此種不足以嚴(yán)重影響了對(duì)外出口金屬構(gòu)件的質(zhì)量，甚至?xí)捎谏a(chǎn)中，產(chǎn)出大量不合格金屬成品，導(dǎo)致生產(chǎn)單位的預(yù)計(jì)收益呈現(xiàn)一種顯著下降趨勢(shì)。因此，本文將綜合早期的研究成果，以薄壁類金屬零件為例，對(duì)此類構(gòu)件的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)展開研究，為我國(guó)金屬市場(chǎng)的發(fā)展帶來更高的收益，提升我國(guó)金屬加工制造在全國(guó)的水平。

1 薄壁類金屬零件數(shù)控加工工藝

1.1 薄壁類金屬零件數(shù)控編程準(zhǔn)備

原有薄壁類金屬零件技工過程中極易出現(xiàn)工件壁過薄，在夾壓力的作用下極易出現(xiàn)變形的問題。同時(shí)，在加工過程中，由于切削熱會(huì)進(jìn)一步造成零件熱變形現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴(yán)重影響零件的加工質(zhì)量。

為了在保證薄壁類金屬零件加工質(zhì)量符合實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，滿足數(shù)控加工的批量性，在加工處理前，要先進(jìn)行數(shù)控編程的準(zhǔn)備工作。使用高精度掃描設(shè)備，對(duì)待加工處理的金屬構(gòu)件在Cimatrone7.1軟件中進(jìn)行外形與實(shí)體的掃描處理。將掃描的結(jié)果成像在顯示端，利用編程工具中的輪廓處理功能鍵、銑削處理功能鍵、精度校正功能鍵等，進(jìn)行金屬構(gòu)件的整體準(zhǔn)備。

在編程準(zhǔn)備時(shí)，考慮到加工的金屬零件外壁較薄，為了降低切削處理對(duì)零件外形的影響，可在編程中先進(jìn)行底面的加工，再進(jìn)行零件側(cè)面的加工。同時(shí)，在高速給進(jìn)處理時(shí)，設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速率較高，因此，可在選擇工具選擇時(shí)盡量規(guī)避過長(zhǎng)長(zhǎng)度的加工工具，并在加工前后，進(jìn)行工具切削處理的參數(shù)（包括轉(zhuǎn)速、功率等的集中調(diào)整）?？紤]到加工設(shè)備的大幅度振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致薄壁類金屬在加工處理時(shí)發(fā)生變形，因此需要降低設(shè)備的振動(dòng)，采用由內(nèi)向外的擴(kuò)展編程方式進(jìn)行數(shù)控構(gòu)件加工。在進(jìn)行金屬構(gòu)件的型腔加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)型腔的數(shù)量，進(jìn)行加工順序的編程，切記不可在此過程中對(duì)多個(gè)型腔進(jìn)行同時(shí)編程加工，否則會(huì)由于進(jìn)深不同或受力不均出現(xiàn)切削異常。

1.2 選擇金屬零件數(shù)控加工刀具

在完成上述準(zhǔn)備工作后，在對(duì)薄壁類金屬零件進(jìn)行車削時(shí)，刀具的集合角度對(duì)于切削的力度和車削過程中零件的熱變形和零件表面的微觀質(zhì)量而言都有著直觀重要的作用。同時(shí)，刀具的前角大小會(huì)直接決定著切削變形以及刀具前角的鋒利程度。若刀具前角大，則相應(yīng)的切削變形以及產(chǎn)生的摩擦力小，切削力也小；反之，若刀具前角小，則相應(yīng)的切削變形以及產(chǎn)生的摩擦力大，切削力也大。在完成加工前的編程準(zhǔn)備后，需要根據(jù)加工工藝的實(shí)際需求，進(jìn)行加工刀具的合理選擇，并以此為依據(jù)，進(jìn)行傳統(tǒng)生產(chǎn)與加工方式的改進(jìn)[2]。在此步驟中，需要根據(jù)薄壁類金屬零件表面的粗糙度分析，根據(jù)表層粗糙度，進(jìn)行主軸控制功率的調(diào)整，以此可以得到針對(duì)構(gòu)件的單位切削量。得到需求切削量后，將其與表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此選擇與加工處理步驟對(duì)應(yīng)的刀具。

表1 金屬零件數(shù)控加工刀具選用對(duì)比表

根據(jù)金屬構(gòu)件在加工過程中的實(shí)際需求，按照表1內(nèi)容，選擇對(duì)應(yīng)的加工處理刀具。在完成對(duì)刀具的選擇后，還需要針對(duì)其切削參數(shù)進(jìn)行確定。當(dāng)進(jìn)行薄壁類金屬零件的數(shù)控加工時(shí)，其變形會(huì)出現(xiàn)在多個(gè)方面，當(dāng)裝夾工作時(shí)夾緊力過大或切削工作中切削力過大都會(huì)造成零件出現(xiàn)變形問題，嚴(yán)重影響到最終加工質(zhì)量。因此，針對(duì)這一問題，針對(duì)上述選擇的刀具在使用過程中的具體情況進(jìn)行分析。通過總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)一步分析得出，當(dāng)背吃刀量和進(jìn)給量出現(xiàn)同時(shí)增加，則相應(yīng)的切削力也會(huì)隨之增加，變形量也會(huì)逐漸增加，對(duì)于薄壁類金屬零件的加工而言造成十分不利影響。當(dāng)適當(dāng)降低背吃刀量增加進(jìn)給量時(shí)，盡管切削力會(huì)逐漸降低，但在零件表現(xiàn)存在的殘余面積會(huì)逐漸增加，其表面的粗糙度值過大，也會(huì)影響到加工質(zhì)量。因此，針對(duì)上述特點(diǎn)，在對(duì)刀具的切削量進(jìn)行選擇是，需要在充分遵循刀具切削用量原則基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)控加工機(jī)床上各項(xiàng)切削參數(shù)進(jìn)行確定。首先，在進(jìn)行外圓粗車操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)將數(shù)控加工機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制在400min/r～600min/r，將其進(jìn)給速度控制在F100～F120，將留精車余量控制在0.25mm～0.45mm范圍內(nèi)。其次，在進(jìn)行外圓警車操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)將數(shù)控加工機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制在1100min/r～1200min/r范圍內(nèi)，將其進(jìn)給速度控制在F110～F150范圍內(nèi)，并采用一次走刀的方式完成這一加工操作。最后，在進(jìn)行對(duì)寬槽金屬結(jié)構(gòu)的加工操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過多個(gè)G55數(shù)控機(jī)床程序控制指令完成對(duì)其定位加工，將其主軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制在550min/r～650min/r范圍內(nèi)，將這一操作過程中的進(jìn)給速度控制在F10～F20范圍內(nèi)，以此根據(jù)上述論述，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具切削使得參數(shù)設(shè)定。

1.3 高速銑削加工步驟

在完成上述相關(guān)處理步驟后，對(duì)薄壁類金屬構(gòu)件的高速銑削加工步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體步驟如下：

在進(jìn)刀與退刀過程中，按照?qǐng)A弧處理方式進(jìn)入或離開金屬構(gòu)件，以此種方式進(jìn)行加工處理，可以避免刀具在突然接觸金屬表面時(shí)出現(xiàn)異常劃痕。同時(shí)，在數(shù)控操作端設(shè)定進(jìn)刀與退刀的重疊量參數(shù)為0。

在走刀加工過程中，選擇Contour處理方式，在加工時(shí)，按照“Z軸”分層處理方式，以順銑的方式接近金屬構(gòu)件。為了避免薄壁類金屬零件由于受力不均出現(xiàn)外觀形變，可在進(jìn)行兩側(cè)的余量加工時(shí)，將加工步驟劃分為兩次實(shí)施。根據(jù)兩側(cè)加工時(shí)刀具的背吃刀量，對(duì)加工過程中的刀具轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在完成金屬構(gòu)件中一個(gè)型腔的加工處理后，考慮到完成加工處理的金屬型腔內(nèi)壁會(huì)變薄，此時(shí)在處理第二個(gè)型腔時(shí)，倘若仍按照第一個(gè)型腔的給進(jìn)方式加工，會(huì)使第二個(gè)型腔的支撐力存在不足問題[3]。因此，可在第二個(gè)型腔處理時(shí)，適當(dāng)降低切削力，以此類推直到完成對(duì)金屬構(gòu)件所有型腔的加工作業(yè)。綜合上述分析，完成對(duì)薄壁類金屬的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)。

除此之外，在實(shí)際對(duì)薄壁類金屬零件進(jìn)行加工時(shí)，去薄壁寬槽金屬結(jié)構(gòu)的加工是零件加工整體中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，針對(duì)這一金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理加工設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提升薄壁類金屬零件整體的加工質(zhì)量。根據(jù)一般的薄壁類金屬零件規(guī)格而言，其槽底金屬結(jié)構(gòu)的厚度通常在2.5mm～3.5mm方位內(nèi)，槽肋金屬結(jié)構(gòu)的厚度通常在0.8mm～1.2mm范圍內(nèi)，針對(duì)上述兩個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的厚度精度要求極高。在加工過程中，需要對(duì)數(shù)控加工質(zhì)量進(jìn)行合理選擇，并根據(jù)實(shí)際加工情況，采用程序指令實(shí)現(xiàn)對(duì)寬槽金屬結(jié)構(gòu)的數(shù)控加工。當(dāng)前，針對(duì)常用的數(shù)控加工機(jī)床GSLK6468-4950型號(hào)數(shù)控加工機(jī)床而言，其針對(duì)切槽金屬結(jié)構(gòu)的加工編程指令包含三種，其中一種為簡(jiǎn)單的直線形式切削，在實(shí)際應(yīng)用中并不符合本文薄壁類金屬零件數(shù)控加工的需要；第二種為直筋式進(jìn)刀，刀具在使用過程中采用一進(jìn)到底的方式，在應(yīng)用到本文薄壁類金屬零件數(shù)控加工當(dāng)中很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其產(chǎn)生的細(xì)屑全部排出的效果，因此造成切削力必須進(jìn)一步增加，進(jìn)而使得最終薄壁類金屬零件金屬結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)變形；第三種為伸縮式的進(jìn)刀切槽指令，在進(jìn)行對(duì)單槽金屬結(jié)構(gòu)的加工時(shí)，可以分為對(duì)此刀切削操作完成加工動(dòng)作，并且在實(shí)際應(yīng)用中更容易控制。同時(shí)，這種金屬結(jié)構(gòu)的加工編程指令能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)寬槽金屬結(jié)構(gòu)的加工，也能夠?qū)崿F(xiàn)一次對(duì)多個(gè)相同距離多槽解耦股的加工。因此，綜合上述論述及分析，在進(jìn)行對(duì)薄壁類金屬零件的加工時(shí)，采用第三種加工編程指令。在實(shí)際應(yīng)用中，通過對(duì)第三種加工編程質(zhì)量的使用能夠有效避免薄壁類金屬零件出現(xiàn)變形問題，保證加工質(zhì)量，同時(shí)也能夠進(jìn)一步提升對(duì)薄壁類金屬零件加工的效率。在實(shí)際加工過程中，除了需要按照上述加工步驟嚴(yán)格執(zhí)行外，還應(yīng)當(dāng)注意工件在加工時(shí)應(yīng)當(dāng)確保其裝夾牢固，以此防止在加工過程中出現(xiàn)刀具打滑飛出的問題產(chǎn)生。同時(shí)，在進(jìn)行車削操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)使用冷卻液，以此減少薄壁類金屬零件在加工時(shí)的受熱變形，從而確保加工表面的質(zhì)量符合規(guī)定要求。最后，在完成所有加工步驟后，在退刀環(huán)節(jié)編程時(shí)需要注意換刀節(jié)點(diǎn)是否具備安全性能，避免在換刀時(shí)出現(xiàn)車刀、刀架等結(jié)構(gòu)碰撞，以此在保證薄壁類金屬零件加工質(zhì)量的提升，提高加工的安全性，以此實(shí)現(xiàn)薄壁類金屬零件數(shù)控加工的安全、文明生產(chǎn)，確保其具備加工效益。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

在完成對(duì)數(shù)控加工工藝的設(shè)計(jì)后，選擇某金屬加工生產(chǎn)單位作為此次實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)場(chǎng)所，此生產(chǎn)單位近期承接了一個(gè)生產(chǎn)數(shù)量為10.0萬的鋁合金制品構(gòu)件加工項(xiàng)目。在與實(shí)驗(yàn)單位簽訂合作協(xié)議后，按照本文提出的內(nèi)容，選擇數(shù)控加工作為鋁合金制品加工的主要方法，按照本文的加工方式，根據(jù)加工構(gòu)件的質(zhì)量要求，進(jìn)行數(shù)控編程準(zhǔn)備，完成準(zhǔn)備后，可選擇外圓精車刀作為此次加工的主要刀具，此刀具在使用中的主偏角度為90.0°，前角度對(duì)應(yīng)25.0°，后角度對(duì)應(yīng)9.0°，刀具半徑為0.4mm。為了避免由于本文加工工藝不完善導(dǎo)致的生產(chǎn)單位經(jīng)濟(jì)損失，此次實(shí)驗(yàn)選擇1.0萬個(gè)構(gòu)件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。

完成對(duì)批量鋁合金構(gòu)件的加工處理后，對(duì)加工的成品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法為流水線檢驗(yàn)。即將完成加工的鋁合金構(gòu)件放置在傳送帶上，將傳送帶與掃描裝置進(jìn)行對(duì)接，以掃描鋁合金構(gòu)件外形的方式，進(jìn)行構(gòu)件合格率的檢驗(yàn)。此次檢驗(yàn)的指標(biāo)包括變形率與外部誤差率，其中允許誤差率為8.0‰（允許誤差為±0.05mm），允許變形率為5.0‰，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：變形率=（掃描外形得到的變形鋁合金構(gòu)件合數(shù)÷掃描的全部鋁合金構(gòu)件）×1000.0%；誤差率=（掃描外形構(gòu)件加工誤差>0.05mm的鋁合金構(gòu)件÷掃描的全部鋁合金構(gòu)件）×1000.0%。按照此種方式，對(duì)生產(chǎn)出的鋁合金構(gòu)件進(jìn)行成品掃描，將結(jié)果繪制成統(tǒng)計(jì)圖，如圖1所示。

圖1 鋁合金構(gòu)件變形率與外部誤差率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從上述圖1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，按照本文設(shè)計(jì)的數(shù)控加工工藝，對(duì)1.0萬件鋁合金制品進(jìn)行加工處理，完成加工后，此批成品的誤差率<8.0‰，變形率<5.0‰，可以證明此批成品的質(zhì)量符合達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，得出此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的針對(duì)薄壁類金屬零件的數(shù)控加工工藝，在實(shí)際應(yīng)用中，可以起到提升批次成品質(zhì)量的效果，從而達(dá)到為生產(chǎn)單位創(chuàng)造更高項(xiàng)目收益的目的。

3 結(jié)語

本文以薄壁類金屬零件為例，對(duì)此類構(gòu)件的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)展開研究，在完成對(duì)加工工藝的設(shè)計(jì)后，通過實(shí)例應(yīng)用的方式，證明了設(shè)計(jì)的加工工藝，在實(shí)際應(yīng)用中，可以起到提升批次成品質(zhì)量的效果。但要將設(shè)計(jì)的工藝在市場(chǎng)內(nèi)廣泛推廣，還需要后續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。同時(shí)，在后續(xù)的研究當(dāng)中，為了進(jìn)一步提升薄壁類金屬零件數(shù)控加工工藝的優(yōu)勢(shì)，還將從零件牢固性、加工精度、加工效率等方面進(jìn)行更加深入研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工藝的進(jìn)一步完善，促進(jìn)薄壁類金屬零件加工質(zhì)量的提升，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益水平。