涂莉娟
昆明高级技工学校650033
摘要：薄壁特征零件因为具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门。但薄壁零件的加工是比较棘手的，原因是薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，不易保证零件的加工质量。本文通过一工艺品典型的薄壁特征零件的数控加工工艺的设计、分析和总结薄壁特征零件的数控加工的工艺设计特点，运用CAXA制造工程师进行CAM编程，为薄壁特征零件的数控加工提供了很好的借鉴。
关键词：薄壁特征 工艺设计 工艺分析 CAXA编程 数控加工
0 引言
数控加工工艺是指采用数控机床加工零件时，所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。
由于数控加工具有加工效率高、质量稳定、对工人技术要求较低、一次装夹可以完成复杂曲面的加工等特点，所以，数控加工在制造加工行业的应用越来越广泛，地位也越来越重要。数控工艺设计的好坏将直接影响数控加工尺寸的尺寸精度和表面精度、加工时间的长短、材料和人工的耗费，甚至直接影响加工的安全性。下面通过实例对典型薄壁特征零件的数控加工工艺进行分析。
1 产品分析
该产品为一企业生产的典型薄壁特征零件，材料为45号钢。由该产品图（图1）可以看出，产品的结构比较简单，但几乎都为薄壁。由于该产品是一工艺饰品，不属于精密的结构件，故产品的外观质量即侧壁要求较高，尺寸公差要求不严格。本文将以该产品数控编程与加工工艺为例，对典型薄壁特征零件的数控加工工艺进行分析与归纳。
2 成型零件构成与分析
在获得产品的实体造型或者工程图后，其零件可以使用Pro/Engineer、UG、CAXA或者MasterCAM中的CAD功能进行设计，设计出来的零件加工如图2所示。其工件具有以下特点：
1、工件毛坯尺寸为200×150×30mm，材料为45号钢；
2、左端薄壁厚度为2mm,右端圆弧的薄壁厚1.8mm，底部厚度为3mm，薄壁高度最高处15mm。
3、因为是薄壁零件在加工时容易受到变形，要分粗加工、半精加工、精加工才能较好的保证加工效果。
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图1 产品图 图2 零件加工图
4、由于产品的尺寸公差要求不高，所以可以对工件直接使用数控机床进行精加工，产品村料为45号钢，只用加工单面，其背面可以采用放电将其分割。
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产品加工图
3 薄壁特征零件分析
薄壁工件因为具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门。但薄壁零件的加工是比较棘手的，原因是薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，不易保证零件的加工质量。 在加工过程中会受到切削热的变形、切削振动变形、残余应力变形，特别是径向切削力的作用下，很容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。
在加工过程中会在切削力的作用，会使工件的侧壁产生“让刀”变形（图三），薄壁上端刚性较差，在切削力的作用下容易产生弹性变形，A,C两点分别移到A’,C’两点，刀具公切除A’BDC部分的材料。走刀过后薄壁弹性恢复，残留CDC’部分材料未被切除，造成了壁厚加工误差。针对侧壁加工会变形特征，可以从减少刀具与工件的接触的有效面积来减少“让刀”对加工的影响，可以进行分层对称铣削来控制其加工精度。
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图三 薄壁加工切削原理示意图
分层对称加工不仅切削力小，能减少加工变形，而且能使应力分布均匀化，同时可以采用大径向切深（即大行距）、小轴向切深（切削深度）加工并充分利用零件整体刚性，实验表明是一种有效而实用的侧壁加工工艺方法。
4工艺分析
数控加工工艺处理的目的和普通机床类似。但由于数控机床大多都不具备工艺处理能力，加工过程的每一细节都必须预先确定, 加工自动完成。因此, 必须在编程前对加工工艺作详细的分析，并设计好相应的加工工序。
4.1 定位基准选择
通过磨削加工的长方体坯料，平行度、垂直度、尺寸精度都已得到保证。可以选用长宽两方向相对面作为水平方向（XY方向）的基准（两边碰数分中）；选用顶面作为高度方向(Z方向)的基准。同时在机床上找一对刀基准（以平口钳上台面，进行刀具长度补偿），以保证换刀后仍然可以准确的找到编程的高度基准，即补偿后工件坐标系的Z0点。这些基准面在数控加工过程中不再加工，作为加工基准可以保证基准的准确性和前后的统一性。
4.2 装夹方式的选择
采用平口钳装夹，工件顶面高于钳口至少18mm,底面用等高垫铁垫起。
4.3工艺方案拟订
坯料为长方体，制品分型面加工切削量较大，必须先进行粗加工，然后再经过半精加工和精加工完成。
4.4 刀具选用
根据该型芯的材料和结构特点，选用硬质合金刀，刀具参数如下：
1）直径16半径为1的圆鼻刀（粗加工分层铣削，让应力均匀释放）
2）直径φ8R4球刀（对曲面进行精加工）
3）直径8，端面平铣刀（半、精加工）
5 加工工艺过程
在数控机床上加工的零件，一按照工序集中的原则划分工序，即每道工序包括尽可能的加工内容。工序划分方法有按所用的刀具划分、按安装次数划分、按粗精加工划分、按加工部位划分等。本例属于单件生产，故在设计加工顺序时以工序集中为原则，以减少换刀次数，提高加工效率。
本例利用国产CAXA制造工程师进行刀具路径编制对其进行加工。其加工顺序如下：
1、平面区域式粗加工，采用φ16R1圆角铣刀对工件上表面进行光一刀。
2、扫描线粗加工左端曲面，采用φ16R1圆角铣刀,余量为0.3
3、浅平面精加工左端曲面，采用φ8R4球刀。
4、等高线粗加工，采用φ16R1的圆角铣刀整体零件粗加工，余量为0.5；
5、等高线精加工，采用直径φ8端面平铣刀进行半精加工，余量为0.15；
6、平面区域式粗加工，采用直径φ8端面平铣刀先进行精加工底面，侧边余量为0.5；
7、等高线精加工，采用直径φ8端面平铣刀完成最后的精加工，余量为0；
下面分别予以介绍：
工序一：平面区域式粗加工
采用φ16R15的合金圆角铣刀，预留了0.5的加工余量。依次点选加 工 ——粗加工—--平面区域式粗加工，进入参数设置对话框。
（1）刀具参数
主轴转速为2100r/min，进给率600mm/min，下刀速率500mm/min，提刀速率3000mm/min。
（2）加工参数
安全高度绝对坐标30mm，进给下刀位置5mm，整体误差0.01mm，走刀方式为环切加工，从外向里，行距为12 mm，顶层高度为0 mm,底层高度也为0 mm，轮廓参数补偿为PASTS可不设余量，不设岛屿参数。
（3）刀具路径
设置完参数后，单击确定，屏幕提示选取切削范围，用鼠标串选曲面边界线，计算机开始计算刀路，平面区域式粗加工完成。刀具路径如图3所示。
工序二：扫描线粗加工，加工左端曲面
采用φ16R15的合金圆角铣刀，扫描线粗加工，加工左端曲面。依次点选加工———— 粗加工——扫描线粗加工，进入参数设置对话框。
（1）刀具参数
主轴转速为2100r/min，进给率1600mm/min，下刀速率500mm/min，提刀速率3000mm/min。
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图 4 图5
（2）加工参数
安全高度绝对坐标30mm，进给下刀位置5mm。xy方向预留量0.3，加工方向往复，层高0.65mm。切削间距为刀径的60%，加工边界为边界外侧，不设高度Z向设置。
（3）刀具路径
设置完参数后，单击确定，计算机开始计算刀路，选择加工边界。扫描线粗加工完成。
工序三：浅平面精加工左端曲面；
采用φ8R4球刀,，进行精加工左端曲面，加工余量为0mm。依次单击：加工—精加工—浅平面精加工，进入参数设置。
（1）刀具参数
主轴转速为2800r/min，进给率2200mm/min，下刀速率500mm/min，提刀速率3000mm/min。
（2）加工参数
安全高度绝对坐标30mm，进给下刀位置5mm，余量为0mm，加工精度0.01mm，xy行距为0.2mm,角度为30。加工方向为往复，切削模式为平行。平坦区域识别最小角度2,最大角度10。其它为默认。
（3）刀具路径
设置完参数后，单击确定，选择加工面与加工边界，计算机开始计算刀路，浅平面精加工完成。刀具路径如图5所示。
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图6 图7
工序四：等高线粗加工
采用φ16R1的合金圆角铣刀，对零件进行整体粗加工，加工余量为0.5mm。
（1）刀具参数：主轴转速为1300r/min，进给率1000mm/min，下刀速率500mm/min，提刀速率3000mm/min。
（2）加工参数设置
安全高度绝对坐标30mm，进给下刀位置5mm，加工参数1加工方向为顺铣，Z切入层高为0.65mm，加工精度0.1mm，xy行距为10mm，加工顺序XY优先，切削模式为平行，加工参数2选择执行平坦识别。切入切出选择沿着形状，参数默认。加工边界中Z设定高度为最大0mm最小为-14.8mm（Z向留余量为0.2mm）。
（3）设置完参数后，单击确定，计算机开始计算刀路，零件的整体性粗加工。刀具路径如图6所示。
工序五：采用直径φ8端面平铣刀，对零件进行半精加工
等高线精加工，采用直径φ8端面平铣刀进行半精加工，余量为0.15mm；依次点选加工—精加工—等高线精加工，进入参数设置。
（1）刀具参数
主轴转速为2500r/min，进给率1600mm/min，下刀速率200mm/min，提刀速率3000mm/min。切入切出连接速度为100 mm/min。
（2）加工参数设置
安全高度绝对坐标20mm，进给下刀位置5mm，XY方向预留量为0.15，Z向层高为0.7mm，加工参数1中与工序四相同，加工参数2中，不执行平坦加工。加工边界中Z设定高度为最大0mm最小为-14.8mm（Z向留余量为0.2mm）。切入切出选择XY向圆弧进刀，参数默认
（3）刀具路径
设置完参数后，单击确定，选择加工面与加工边界，计算机开始计算刀路，完成工件半精加工。刀具路径如图7所示。
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图8 图9
工序六：平面区域式粗加工，精加底端面
1、采用直径φ8端面平铣刀，精加底端面，Z向加工余量为0，XY向为0.5设置步骤与工序一基本相同。刀具参数略有变化：主轴转速为2600r/min，进给率600mm/min，下刀速率500mm/min，提刀速率3000mm/min。顶层高度为-14.5 mm,底层高度也为-15 mm,行距为5mm。
2、设置完参数后，单击确定，选择好所加工的范围，计算机开始计算刀路，完成底端面的精加工。刀具路径如图8所示。
工序七：等高线精加工
采用直径φ8端面合金平铣刀完成最后的精加工，加工余量为0。设置步骤与工序六基本相同。刀具参数略有变化：主轴转速为3600r/min，进给率2600mm/min，下刀速率200mm/min，提刀速率3000mm/min。切入切出连接速度为100 mm/min。预留量为0。Z向层高为0.2mm，加工顺序XY优先，设定XY圆弧进退刀，只加工侧壁，不执行平坦加工。Z向加工深度为0到-15.其余参数工序六。设置完参数后，单击确定，计算机开始计算刀路。最后刀路图跟图7相似。
遇到的问题：设置参数注意项 ，在等高线精加工设置中，因为考虑是薄壁特征固应优先XY，但是在生成刀路时会出现左端两槽加工时理应该抬刀，但是没有，很可能会发生刀具干涉影响之前加工好的部分如图9所示。
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图10
针对上情况，又无法从设置加工参数进行调整，为解决此问题有以下两种途经：方法1；,对已生成的刀路进行编辑，将刀位平移+0.6mm,加工深度由原先的15mm设为-15.6mm；方法二，补面让所薄壁上表面所有的高度位与同一高度，其它参数不变，问题就解决了。
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图11
6 分析与小结
1、数控加工一般为单件小批生产，故通常使用通用夹具进行装夹，并且多为一次装夹完成多个工序的加工，因此，在工艺设计时，应采用工序集中原则，让工序尽量集中，同时，尽量减少换刀次数，以利于减少待机时间，提高机床利用率。
2、薄壁零件一般可以通过粗加工—半精加工—精加工三个工序完成。在工艺设计时，必须注意定位基准的选择，尽量保证定位基准与设计基准的重合。同时，定位基准的选择应该使工件坐标系的设置变得简单。
3、选择刀具时，应根据机床、工件材料、设计要求等诸多因素进行综合考虑。刀具参数的设置要根据刀具厂商提高的参数为基准，同时根据加工条件进行相应的修改，以尽量发挥刀具的潜能。高硬度材料的曲面精加工，宜使用整体式的小直径刀具（Φ12mm以下），保证刀具与工件不发生干涉的前提下，尽量缩短装刀长度，以减少刀具振动，延长刀具寿命，提高加工精度。
4、减小切削热对变形影响在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形以及切屑与前刀面及后刀面之间的摩擦都将产生热能。选择工作稳定性较好的机床，使机床达到热平衡再进行加工，开启冷却液，改善主轴的润滑、冷却条件。
5、编程策略，薄壁零件加工近可能采用大径向切深（即大行距）、小轴向切深（切削深度），采用端铣减小切削时变形。薄壁零件立铣精加工最后一刀时，侧壁和腹板的加工余量较常规工艺偏大，侧壁和腹板的加工余量分别为２－５毫米；侧壁加工时，轴向切深ａｐ为０．２－０．８毫米，径向切宽为６０％－８０％的刀具直径。对切削参数的选择，需“少切快跑”的特点，对于钢料及其他加工性稍差的材料径向切深宜选择铣刀直径的25%—40%，以减缓刀具磨损。
6、薄壁零件加工高速铣削一般采用顺铣加工方式，以降低产生的热量并减小径向力。高速加工要避免切削方向和切削载荷的急剧变化，刀具的路径应尽量平滑，减少急速转向，在刀轨拐角处需增加过渡圆弧，并相应地减小进给速度；刀具平滑切人、切出工件，尽可能保持切削平稳，防止因切削力的突然变大而造成刀具的偏斜甚至造成刀具的折断或崩刃。此外，应尽量减少刀具的切人切出次数，以获得相对稳定的切削过程并提高切削效率。
7、薄壁零件加工，将2D刀路转为3D刀路（以此软件为例），是为了控制XY方向上加工时高度一致，考虑零件加工的整体性所受的一各种力对切削的影响，有利于薄壁件的加工。综上所述可以为加工同类零件提供一些参考。
参考文献：
[1]王爱玲主编.数控机床加工工艺[M].北京：机械工业出版社，2006.
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[3]毛云峰，申戈莉，涂铭昌．高速加工工艺系统热变形对工件质量的影响．模具工业，1999(8)：[4]罗军 杨国安主编《CAXA制程工程师项目教程》机械出版社。