薄壁零件数控加工工艺实现关键技术及应用研究

第２９卷第３期　邢台职业技术学院学报　、ｂ１．２９　ＮＯ．３　２０１２年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｎｇｔａｉ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｊｕｎ．２０１２　薄壁零件数控加工工艺实现关键技术及应用研究　吴志鹏，李明，牛美英　（邢台职业技术学院，河北邢台０５４０３５）　摘要：本文着重研究了薄壁零件数控加工工艺的关键技术。根据材料力学原理，求解薄壁零　件弹塑性变形临界条件。在保证薄壁零件加工切削力小于极限载荷的条件下，采用最大切削量　对其，Ｓｖ＿Ｔ－，从而实现薄壁零件的高效／Ｓ￣Ｓ－。　关键词：薄壁零件；加工工艺；切削力　中图分类号：ＴＨ１６２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１ｏｏ＆－－６１２９（２Ｏ１２）Ｏ３—ＯＯ９０Ｌ＿－０４　随着计算机技术和仿真技术的应用，薄壁零件加工工艺研究从传统的“经验”走向“定量分析”，通过高　精密机床，结合工艺路线优化理论和有限元模拟软件，实现零件高精度和高效率的加工。加工工艺也由　技艺发展成工程科学。　一、薄壁零件弹塑性变形分析　机床一刀具一零件系统比较复杂，薄壁零件加工中的颤振、表面硬化、残余应力、热一力耦合等都　是影响薄壁零件变形的因素。薄壁零件特点壁薄、强度低、抵抗变形能力差，并不表示薄壁零件在常态　下就会发生塑性变形，而是具有一定的弹性区问，在某些特殊复杂的环境下发挥重要作用。根据材料力　学原理，加工过程中切削力小于薄壁零件的极限载荷，则薄壁零件处于弹性阶段，避免发生塑性变形。　ＬＬ２　薄壁零件近似静定梁，由受力分析得知，中间部位受力变形最为严重，极限载荷　：　ｏｒｓ。使切削力Ｆ　＾厶２　小于极限载荷Ｆｐ　，求得薄壁零件壁厚的最大切削量。薄壁零件数控加工工艺的关键技术就是在满　足加工精度的要求下，选择精加工余量小于最大切削量，即薄壁零件处于弹性阶段，实现加工工艺最后　一道工序一刀成形，提高加工效率。　二、薄壁零件最大切削量计算过程　实验证明，在机床加工系统和刀具几何参数确定的前提下，加工切削力主要受到切削速度（或主轴　转速）ｎ、进给速度Ｖ，、背吃刀量口ｐ和切削宽度（或切削高度）口　等因素的影响，且基本上成线性关　系。我们首先将相关实验数据，列成切削速度（或主轴转速）刀、进给速度ｙ，、背吃刀量ａｐ和切削宽度　（或切削高度）ａｅ以及切削力的正交实验数据表格，应用多元线性回归分析方法，建立切削力的预测模　型和表面粗糙度的预测模型。　切削力：Ｆ＝　＋　＋　Ｖ，＋　口ｐ＋Ｐ５ａ　表面粗糙度：Ｒ。＝ｂｌ＋６２刀＋６３ｖｆ＋ｂ４ａｐ＋　口　根据薄壁零件塑性变形的临界条件，即切削力Ｆ小于极限载荷　＝芋　，计算最大背吃刀量，获得　薄壁零件的壁厚薄壁零件壁厚的最大切削量ａ　ｍ“。　收稿日期：２Ｏ１２一Ｏ４一Ｏ２　作者简介：吴志鹏（１９６４一），河北大名人，邢台职业技术学院后勤管理处处长，工程师。　９Ｏ　邢台职业技术学院学报　２０１２年　第３期　临界状态：Ｆ＝　＋　＋　＋￣４ａｐｍａｘ＋￣Ｇｅ＝Ｆｐ＝芋　薄壁零件壁厚的最大切削量计算得：　．忸ｘ＝　兰　三、薄壁零件加工工艺流程　强蛾　Ｊｌ｝攥零件公薅等级釉＿覆两荆拯艘整求确　定詹Ｉ　方式以敷精ｌ翦：　朋ｌ＾＝Ｉ＝＝余蹙　选撵机寐、装必禽式。嘲觳刀廷参数　确定拇齿进绦霹，髓镊转速、进蛉速瘦　和切棚觉鹰　代入访削　教掌攥型，隶解薅攮法线　内切倒力Ｆ　擞粼村料弹擞性变形条件礁定薄　零件　最火削ｉｊｌｌ蹀成　堡　銎＼鞴句Ｉｌ』余鋈慝／　蹙比　技　．——一　Ｙ　喏者【ｔ璧　兰　／　镰小于Ｈ’ｉ０＞＞　　输出　靛加　工芑参数　镪柬　图１薄壁零件加工工艺流程图　第一步：根据根据零件公差等级和表面粗糙度要求确定加工方式以及精加工加工余量。　第二步：选择机床、装夹方式，调整刀具参数。当最大切削深度小于精加工余量，即切削力高于零　件自身的弹性极限载荷，就需要增加辅助夹具，或者采用更多刃的刀具（或调整刀具角度）。　第三步：确定每齿进给量，调整转速、进给速度和切削宽度。一般情况采用小单齿进给量，并保持　不变；然后根据比较结果，调整切削速度（或主轴转速），ｚ、进给速度Ｖ厂、和切削宽度口ｅ（或ｈ）　第四步：将上述工艺参数，切削深度口Ｐ即为精加工余量代入切削力数学模型，求解薄壁法线方向切　削力Ｆ。　第五步：根据材料弹塑性变形条件，解得薄壁零件壁厚的最大切削量：　＝　兰　一，将最大切削量　ａｘ与切削深度　（即精加工余量）相除作　比较，小于１不满足条件转到第二步：大于１０满足条件，由于两者比值过大，转到第三步，增加进给速　９１　邢台职业技术学院学报　２０ｌ２年　第３期　度Ｖ＿厂和加大切削宽度ａ　，以提高效率：大于１且小于１０，输｝Ｉｊ当前工艺参数，进行零件加工。　第六步：通过实践检验，不断改进“一刀成形”工艺，提高薄壁零件加工能力。　四、实验研究　图２为４５＃钢零件的壁厚为２ｍｍ的薄壁部分结构图，长１００ｍｍ，表面粗糙度为Ｒ　＝１．６，ｔａｎ，尺寸公　差等级为１Ｔ８级。　图２　４５＃钢零件结构示意图　实验条件：高速铣削平面，材料４５＃钢（调质，硬度ＨＲＣ２０—２２）。　刀具为直径ｌＯｍｍ，螺旋角３０。，双刃，直柄整体式硬质合金平头立铣刀，ＴｉＡＩＮ涂层。实验结果　如下：　切削参数　测试结果　序号　ｎ（ｒ／ｒａｉｎ）　、ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）　口ｐ（ａｒｍ）　ａｅ（ａｒｍ）　（Ⅳ）　Ｒ。（　）　（　ＦＺ（Ⅳ】　１　１０　０００　５００　Ｏ．１　４　２５＿３　０．１３４　１４．５　３．９　２　１６　０００　ｌ　３００　Ｏ．１　６　２６．４　０．２１８　１５．１　３．５　３　ｌ２　０００　８００　Ｏ．１　７　３０．９　０．２０９　１６．８　４．８　４　１４　０００　２　０００　Ｏ．１　５　２９．６　０．２３８　ｌ７．７　４．２　５　１０　０００　２　０００　０．１６　６　３３　０．３９５　２１．２　５．６　６　１６　０００　８００　０．１６　４　２７－３　０．１２０　１４．３　３．２　７　１２　０００　１　３００　０．１６　５　２９．４　０．２１５　１８．９　４．４　８　１４　０００　５００　０．１６　７　３０．６　０．２０７　１４．４　３．９　９　１０　０００　８００　０．２６　５　３０．４　０．３７２　ｌ５　３．９　ｌ０　ｌ６　０００　２　０００　０．２６　７　３２．４　０．３９４　１９．７　５．３　ｌ１　１２　０００　５００　Ｏ．２６　６　３２　０．２３４　１８．１　４．５　１２　１４　０００　１　３００　０．２６　４　３０．７　０．２３３　１６．７　４．８　ｌ３　１４０００　８００　０．４　６　３６．９　０．３ｌ８　１８．８　５．５　１４　１２　０００　２　０００　０．４　４　３９．９　Ｏ．５ｌ１　１９．１　５　ｌ５　１６　０００　５００　０．４　５　３５．８　０．２ｌ１　１６．６　４．８　１６　１００００　ｌ３００　０．４　７　４７．９　０．６５２　２５　５．９　高速铣削平面（４５＃钢）的数学模型为　Ｘ向切削力：　＝２０・８８７１—０．０００６ｎ＋Ｏ．００２０ｖＩ十３８．９６８ａｐ＋１．４７２５ａ　表面粗糙度：Ｒ。＝０．０９２７＋０．０ｎ＋０．０００１ｖ，＋０．７５　１８ａｐ＋０．０３８０ａ　Ｙ向切削力：　＝１２．３００８—０．０００４ｎ＋０．００２６ｖＩ＋１　１．８７５ａｐ＋０．９７２５ａ　Ｚ向切削力：　＝２．８３７５—０．０００１ｎ＋Ｏ．０００５ｖ，＋４．０２１３ａｐ＋０．２７００ａ，　邢台职业技术学院学报　２０１２年　第２期　根据表面粗糙度和加工公差等级，我们选择粗铣一精铣的加工工艺方案。工艺参数为：背吃刀量为　ａＰ　ｏ．１ｍｍ，转速＂：２０００，／ｍｉｎ，进给速度ｖ／＝１００ｍｍ／ｒａｉｎ，切削深度为ａ　＝４ｍｍ，由薄壁法线方向　受力公式　＝２０．８８７１—０．０００６ｎ＋０．００２０ｖｆ＋３８．９６８ａｐ－Ｉ－１．４７２５ａ　，可以求解得：　切削力：　＝２９．６７３９Ｎ；　表面粗糙度：Ｒ。＝０．３３１．ｔｍ。符合加工粗糙度要求。　根据薄壁零件塑性变形的临界条件，其中材料４５　钢屈服极限　＝３２０Ｎ／ｍｍ　。当前加工工艺参数　下，薄壁零件极限载荷为：　：军　＝５１．２Ⅳ，大于切削力　：２９．６７３９Ｎ，薄壁零件在加工中处于弹　性变形阶段。　计算薄壁零件壁厚的最大切削量为：口，～＝ｏ－６５ｍｍ。　因为ａ，一＞口，，所以上述加工工艺方案可行。若进一步提高加工效率，可以增加进给速度和切削深　度。　五、结论　薄壁零件数控加工关键技术在普通数控机床实现了薄壁零件加工，相对于高速加工技术不仅降低了　对设施、人员的高要求以及制造成本，还减少了在零件弹塑性变形对辅助夹具的需求，制造工艺更加简　化，效率更高。　参考文献：　【１１５Ｅ素玉．高速铣削加工表面质量的研究【Ｄ】．济南：山东大学，２００６．　［２】汤爱君．薄壁件高速铣削三维稳定性及加工变形研究【Ｄ］．济南：山东大学，２００９．　【３】陈立国，刘献礼，孟丽宇等．ＰＣＢＮ刀具切削淬硬ＧＣｒｌ５已加工表面完整性的试验研究【Ｊ］．哈尔滨理工大学　学报，１９９９（４）．　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ　Ｐａｒｔｓ　ＣＮＣ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ＷＵ　Ｚｈｉ－ｐｅｎｇ，ＬＩ　Ｍｉｎｇ，ＮＩＵ　Ｍｅｉ－ｙｉｎｇ　（Ｘｉｎｇｔａｉ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　ＣｏＨｅｇｅ，Ｘｉｎｇｔａｉ，Ｈｅｂｅｉ　０５４０３５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｏｃｕｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔｓ　ＣＮＣ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｈｅ　ｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｏｌｖｉｎｇ　ｈｅ　ｔｅｌａｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｔｎ－ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔｓ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｔｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔｓ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔ　ｌｏａｄ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ａｍｏｕｎｔ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｈｉｔｎ－ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｐａｒｔｓ；ｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　（责任编辑李建武）