薄壁件高速铣削加工工艺

孟锐

四川航天川南火工技术有限公司 四川泸州 646000

1 序言

薄壁件多指壁厚与轮廓尺寸之比不超过1∶20的工件，有薄壁箱型、薄壁筒型及薄板型等多种结构，具有空间占用比较小、质量轻等优势，被大量使用在航空航天、精密仪器等多个领域[1]。目前国内外主要采用数控技术、加工中心及高速加工方法加工薄壁件，特别是高速铣削的加工方式被广为采用，以此来满足薄壁件的高加工精度要求，以及提升工作效率。通过加工工艺方案分析及判定，减小高速切削过程中薄壁件的变形，最终满足工件成形技术要求。

2 影响薄壁件变形的多种因素及解决措施

（1）工件本身的结构及材料 汽车工业及航空航天领域存在大量回转类、板框类和曲面类工件，不同结构工件的强度、刚度存在差异。材料不同、力学性能不同，切削加工性就会产生很大的差异。

（2）夹具 工装夹具的结构和夹紧力对薄壁零件变形影响很大。工件若受夹紧力不均，则形位会发生变化，从而影响加工精度。预防措施一是采用圆弧形卡爪，将点接触变为面接触，增加接触面积；二是采用开口套，将卡爪的点受力转化成开口套的面夹紧，使得受力均匀，变形均匀；三是采取可溶性胶灌注，在工件内注入可溶性胶，之后夹紧[2]。

（3）工艺参数 根据工件图样选择相应的刀具，匹配合理的进给速度、转速及切削深度。可以采用高速切削技术来降低加工时的切削力，以减少变形。由于随着吃刀量的增大，切削力增大，工件的振动也会增大，因此在加工薄壁件时，应选择较小的吃刀量，以减少振动，从而保证加工精度[3]。

（4）其他影响因素 主要是工件受热变形。若冷却性能不理想，切削过程中刀具及工件摩擦产生的热量也会导致工件变形，从而降低加工精度。

3 工件结构

图1所示工件材质为LY12CZ铝合金，外圆直径514mm，厚度7mm。外圆直径大、厚度薄，属于典型的薄壁零件。外圆上有加工环槽，且环槽尺寸较长，圆周端面上均布12个加工孔和4个支耳，工件刚性差，装夹和加工过程中极易发生变形。同时零件的平面度有较高的要求，沟槽及外表面的表面粗糙度要求也较高，使得工件加工难度较大，如加工工艺路线选择不当，则加工精度无法控制，工件质量得不到保证。

图1 工件

4 工艺分析

（1）结构分析 工件为环形零件，结构整体规则，圆周上小孔均匀分布，支耳对称分布，沟槽沿圆周均匀分布，无异形面，无复杂结构，工件结构规整简单。

（2）材料分析 零件材料牌号为LY12CZ，属于含镁铜基铝合金，材料强度较高，在退火、淬火状态下有较好的性能，切削性能尚可。

（3）精度要求 该工件重点要求平面度≤0.05mm，要求环形槽表面粗糙度值Ra=1.6μm，其他表面粗糙度值Ra=3.2μm，其余皆为自由公差，精度要求并不苛刻。

（4）成形分析 工件为环形回转类零件，可采取车削和铣削方式达到成形零件的结构及精度要求，重点使用设备为数控车床和加工中心。

（5）工艺难点 工件本身结构简单，精度较易控制。由于工件壁薄，外圆尺寸大（直径达514mm），加工过程中极易产生变形，如不采取可靠的变形控制措施，则容易出现不合格品，所以工艺成形的难点在于变形的控制。可通过控制工件的变形，在工装和加工设备的保证下，加工出合格成品。

5 工艺方案

5.1 方案一

主要工序如下。

（1）数控车一 来料质检后，胀夹零件内孔，下料。

（2）数控车二 时效处理后，端面见光，保证平面度及外圆公差。

（3）加工中心铣削一 车削好的端面及外圆定位，粗开内腔及支耳圆周正面，预留余量，并保证总厚度。

（4）加工中心铣削二 内腔轮廓、厚度及外圆依次加工到位后，铣削环槽及外圆倒角到位，以外圆定位，再加工支耳螺纹到位。

（5）四轴加工中心铣削 外圆分中找正，圆周内孔及环槽清根到位。

（6）钳工序 倒钝锐边，去毛刺。

5.2 方案二

主要工序如下。

（1）数控车一 来料质检后，胀夹零件内孔，下料。

（2）数控车二 时效处理后，端面见光，保证平面度及外圆公差。

（3）加工中心铣削一 车削好的端面及外圆定位，粗开内腔及支耳圆周正面开粗，预留余量，并保证总厚度。加工完成后，每件用三坐标测量仪标记零件变形位置和变形量。

（4）加工中心铣削二 时效处理后，正面铣预留余量，并保证平面度。

（5）加工中心铣削三 以铣好平面定位，正面铣内腔及工艺支耳，预留余量，翻面开粗内腔及工艺支耳，预留余量，加工后用三坐标测量仪重点检测外圆及平面度，标记零件变形位置，若变形量大于要求，则全批次加工本序。

（6）加工中心铣削四 外圆定位，铣削内腔工艺支耳、外圆及表面到余量尺寸，翻面正面内腔开粗及工艺支耳加工到余量尺寸，加工后用三坐标测量仪重点检测外圆及平面度，标记零件变形位置，若变形量大于要求，则全批次加工本序。

（7）线切割 线切割去除两处工艺凸台，与内腔相接平。

（8）加工中心铣削五 外圆定位，铣削内腔轮廓、工艺支耳、外圆及表面，预留余量，用三坐标测量仪重点检测外圆及平面度，标记零件变形位置，根据变形量确认是否增加热处理工序。

（9）加工中心铣削六 外圆定位，先加工零件内腔轮廓到位，换压板加工外圆和厚度到位，T形刀加工圆周半环槽到位，外圆倒角加工到位，正面支耳加工到位，并进行首件检测。

（10）四轴加工中心铣削 外圆分中找正，圆周内孔及环槽清根到位。

（11）钳工序 倒钝锐边，去毛刺。

6 工艺方案比较

方案一下料后，一次性时效处理，端面见光，精度一次性到位，并以此端面为基准，加工后续外圆和内腔，通过粗、精两次加工达到工件成形。该方案工艺简单，能保证端面的平面度，加工速度快，但加工过程中工件变形不易控制，无过程监控，容易出现质量瑕疵，达不到尺寸及精度要求。

方案二前三道工序与方案一相同，第五道工序外圆及内腔开粗后，保留加工余量，并用三坐标测量仪检测工件变形量，通过时效处理、预留富余加工余量反复加工，以及使用三坐标测量仪进行外圆和平面度的过程检测，确保工件成形合格率。

方案一工艺流程简单，加工成本低，加工效率高，但工件变形过程控制手段缺失，易产生因工件变形而引起的不合格品；方案二工艺流程科学合理，采取变形控制措施，严格控制工件加工过程中的变形，有效解决了因工件变形而引起的产品不良问题，但是加工成本高。

由于方案二从根本上解决了工件变形、质量问题，优于方案一，因此采用方案二进行该薄壁件的加工更符合技术要求。

7 过程检验控制

加工过程中，对工件加工工序的过程检验是必不可少的程序，需要使用专业的检具和量具来完成零件尺寸和精度的检测。方案一没有采取相应的检测手段来测量工件的变形，主要依靠主观经验进行判断；方案二重点通过三坐标测量仪来检测工件的重要变形数据指标，使用客观科学的数据说话，对变形的位置、变形量进行精确掌握和分析，为判定下一步工序操作提供有力证据，从而可采取相应的措施，消除变形引起的偏差，加工出合格的零件。

8 变形的控制

从影响薄壁件变形因素的角度入手，主要从以下几个方面进行变形控制。

（1）装夹方式 使用软卡爪胀夹内孔，避免车削过程中工件变形带来的尺寸偏差，同时在工件内腔左右两处留工艺凸台（见图2），凸台形状与支耳一致，便于零件装夹，减少零件变形。

图2 工艺凸台

（2）降低工件残余应力 LY12CZ铝合金材料在加工过程中会产生内应力释放，从而产生材料变形。由于采用退火处理方式难以控制变形，因此采用在200℃保温12h、空冷的时效处理方式，消除加工残余应力，减少工件变形。

（3）使用合理的工艺参数 高速切削过程中，为减小切削力，减小工件变形，尽量使用小的轴向切削深度，可以选择较大的径向切削深度，甚至可以大于刀具的半径。径向切削深度大于刀具半径时，随着切削用量增加，加工效率提高，而切削力最大值却保持在一个稳定值。切削速度的变化并不会影响薄壁件的几何结构尺寸，在主轴转速允许的前提下，可以尽量选择大的切削速度。

（4）其他因素的控制 薄壁件变形不仅受切削工艺参数的影响，还受走刀路径、机械振动和冷却方式等综合因素的影响。在走刀路径上，应以尽量减少工件最小刚度部位上的作用力为原则，可以采用对称加工或阶梯式加工的路径；在切削液方面，应加强加工中心的日常检查，查看冷却循环系统是否正常工作，切削液使用是否得当，参数设置是否合理。从而降低工件加工变形，保护刀具，延长刀具的使用寿命。

9 结束语

薄壁件的加工是公认的难题，且薄壁件有向极薄化方向发展的趋势，加工过程中主要是防止薄壁件发生变形而影响加工精度。通过制定合理的加工工艺路线，改善装夹夹具，选择科学的走刀路径及工艺参数，可以有效地降低薄壁件的变形，保证工件加工精度，提升加工效率。