◇駐宜昌地區(qū)軍事代表室 胡曉峰

薄板類零件有著厚度薄、重量輕、強重比高等突出特點，被大量應用于軍工制造領域。然而，正是由于其厚度較薄，導致切削剛度低，在機械加工過程中工件極容易產生變形，從而導致較大加工誤差。本文首先討論了此類零件的加工特點及不良影響，然后分析了其加工精度的關鍵影響因素，最后提出了相應的改善措施。

1 引言

隨著我國新型工業(yè)技術的發(fā)展，對產品使用性能和產品質量的要求越來越高。對于軍工制造領域而言，對零部件的設計和制造加工要求也越發(fā)嚴苛，在滿足強硬度的基礎上應該盡可能變得輕薄，因此大量薄板類大型結構件被使用在這些產品中。薄板類零件具有尺寸大、厚度薄、加工精度要求高及復雜的裝配協(xié)調關系等典型特點[1]。正是由于其較薄的厚度，使得其加工剛度穩(wěn)定性低，難以滿足其高精度的需求，往往需要采用特別的加工手段，為機械加工工藝提出了新的挑戰(zhàn)[2]。然而，現(xiàn)階段這類薄板件的生產制造依然很大程度上仍然依賴數(shù)控銑削加工[3]。在銑削加工過程中，由于切削力的加載、自身呈現(xiàn)的弱剛性以及數(shù)控機床的運動誤差等多方面因素使得薄板類零件會呈現(xiàn)較大的讓刀變形，不可避免的造成加工誤差，從而導致零件尺寸超差達不到使用要求。這些挑戰(zhàn)不僅會制約產品的生產制造還會導致產品更新?lián)Q代出現(xiàn)滯后。綜上所述，為了滿足薄板類零件較高加工精度的要求并提高生產率，需要進一步研究加工變形的影響因素及改善方法。

2 薄板類零件加工特點及不良影響

2.1 薄板類零件加工特性

薄板類零件由于其結構形狀、材料特性，有著不同的加工特性，可以從以下三個維度進行總結：①形狀結構特性薄板類零件長度和寬度方向的尺寸往往較大，而厚度相對較薄，在銑削加工過程中，厚度方向的物料被去除導致加工剛度越來越低，加工質量難以保證；②材料特性此類零件往往要求較高的強重比，因而常采用合金材料，此類合金材料的加工變形較為突出；③使用特性為保證此類零件的使用要求，其尺寸精度和配合精度往往要求較高，提高此類零件的加工及配合精度是提高使用性能的關鍵。

2.2 薄板類零件不良影響

切削加工過程的實質是加工系統(tǒng)中各部分之間力和剛度的較量。在銑削加工過程中，由于切削力的加載、自身呈現(xiàn)的弱剛性以及數(shù)控機床的運動誤差等多方面因素使得薄板類零件會呈現(xiàn)較大的讓刀變形，不可避免的造成加工誤差，從而導致零件尺寸超差達不到使用要求。這一現(xiàn)象在待加工工件厚度很薄時顯得尤為突出，此時工件變形對切削力的變化較為敏感，嚴重的情況下，還未等到零件加工完成，工件已經產生了較大的加工誤差，無法滿足預期加工精度。

3 薄板類零件加工精度關鍵影響因素分析

事實上薄板類零件加工是一個復雜彈塑性變形過程[4]，影響其加工精度的主要因素為切削力、工件材料以及加工工藝等，接下來分別從這三方面進行分析。

3.1 切削力

在薄板類零件的加工過程中，切削力和加工系統(tǒng)剛度不斷較量，此類零件較低的加工剛度使得加工系統(tǒng)剛度處于下風。切削力不但加載會使工件產生較大的變形，還會使刀具產生變形；此外，加工完成后工件會也發(fā)生彈性變形。這一系列復雜的耦合變形使得由切削力導致的加工誤差難以準評估。

3.2 工件材料

薄板類零件往往要求具備較高的強重比，因此工件材料一般是鋁合金、鈦合金等“軟”材料，此類材料有著比強大、楊氏模量小等特點。這意味著其抗變形能力差，對切削力的抵抗力弱，而且當零件尺寸較大時，這個缺點會被進一步放大，從而導致加工誤差進一步擴大，不能滿足要求。

3.3 加工工藝

加工工藝從多個方面影響薄板類零件的加工精度。首先，加工工藝確定了工件的裝夾方式，不合理的裝夾方式會使零件加工精度下降，并且由于此類零件厚度較薄夾緊力也會引起工件變形。然后，加工工藝也會決定走刀路徑和走刀次數(shù)，不同的刀路徑及走刀次數(shù)會使加工變形分布不一致，從而影響加工精度。最后，加工工藝決定工藝參數(shù)，工藝參數(shù)不同加載的切削力也會不同，因此工件產生的加工變形和彈性變形也會不一致。

基于上述分析，在加工的工件一定時，加工工藝是影響薄板類加工精度的主要因素，優(yōu)化加工工藝在一定程度上可以改善加工變形的發(fā)生，從而提高此類零件的加工精度。

4 薄板類零件加工精度優(yōu)化改善措施

下面從優(yōu)化加工工藝參數(shù)及實施加工誤差補償策略兩個方面分別進行討論。

4.1 優(yōu)化加工工藝

（1）優(yōu)化工件裝夾方式。由于薄板類零件自身剛度低，裝夾力也會導致其發(fā)生變形從而影響加工精度，通過優(yōu)化裝夾方式可改善裝夾力，從而減小裝夾對工件的影響。一方面可以通過實切實驗來確定最佳方案；另一方面也可以建立有限元模型，模擬不同裝夾方式下的工件加工變形分布，并從中選取最優(yōu)方案。

（2）優(yōu)化走刀路徑。首先，擬定滿足加工條件的多個走刀方案，然后利用實驗或有限元的方法獲得不同方案的加工變形分布，最后選擇協(xié)調加工變形和加工效率的最優(yōu)走刀路徑。

（3）優(yōu)化工藝參數(shù)。由于優(yōu)化工藝參數(shù)需要大量數(shù)據(jù)支撐，可以采用有限元法探究工藝參數(shù)對工件加工變形量的影響。然后采用極差分析法[5]對計算結果進行分析，以確定各工藝參數(shù)對工件加工變形量的影響成都度。最后根據(jù)分析結果獲得零件銑削工藝參數(shù)的最佳組合。

上述方法一定程度上可控制加工變形量，從而減少加工誤差，但其改善效果有限，仍然有一部分材料由于彈性變形而無法被去除。

4.2 實施加工誤差補償策略

事實上，薄板類零件的加工誤差與切削過程密切相關，隨著名義切削深度的增加加工變形也會增加，由此造成的加工誤差與名義切深的選擇有關且存在著非線性函數(shù)關系[6]。因此，需要選擇更加合適的名義切深，使得實際切削深度更加接近設計余量，以實現(xiàn)加工誤差。首先，在刀具原走刀的基礎之上，按照變形程度和機床運動誤差為每個加工補償點確定額外的刀具附加的偏擺量，來補償因回彈和機床運動誤差導致的加工誤差；然后，通過數(shù)控補償技術，一次走刀將殘余材料切除，以提高薄板件的加工精度。

實施加工誤差補償策略兼顧了工件變形導致的彈性誤差和機床本身的運動誤差，因而可以進一步提高此類零件的加工精度。

5 結論

薄板類零件由于自身的弱剛性會引起工件變形，產生較大加工誤差，給生產實踐帶來極大的挑戰(zhàn)。為此，本文分析了薄板類零件的加工特點及不良影響，然后分析了切削力、工件材料以及加工工藝等關鍵因素對其加工精度的影響，基于此提出了對應的優(yōu)化改善措施，對生產實際有一定指導意義。