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[摘 要]本文以典型应力环薄壁类零件为例，基于近年应用起来的高速加工制造技术，利用工厂现有的数控设备，研究航空发动机零件的切削加工过程，定位基准的确定、高速连续切削加工、数控程序设计、刀具磨损补偿等方法进行加工实验和实践，使加工全过程向着优质、高效方向发展。
[关键词]薄壁；高速；程序设计；磨损补偿
中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0044-01
引言
近年来，随着数控技术的发展，数字化控制的加工中心设备为生产加工开辟了新的加工模式，越来越多的机械行业开始采用数控设备加工多型面、高精度尺寸等要求较复杂的零件。而对于小型数控机床来说，一般新设备的加工精度和重复定位精度均可达到0.008mm，加之刀具、夹具、加工材料等因素的影响，所加工出零件的尺寸精度一般可达到0.02mm，对于大部分航空零部件的加工要求均可满足，但目前对于薄壁件来讲，零件的加工质量、效率不易保证，本文是在加工隔板等零件时，利用这些设备，采用了避免加工变形的方法，进行高效的加工，最终完成零件的优质交付，保证整个切削过程的稳定性。
1.零件的工艺分析
此零件模型见下图一，零件材料为30CrMnSiA，硬度不高，但表面粗糙度不易保证。零件结构相对复杂，壁厚薄、精度和表面质量要求高且零件为中小批量生产，利用普通的数控加工方案和编程技术，不能满足加工精度和批量生产的需要。零件的结构特点为：切削性能良好，属于典型的薄壁盘类结构，外形尺寸不大，周边及内部筋的厚度仅为1mm，型腔深度为3mm。此零件在加工过程中如果工艺方案或加工参数设置不当，极易变形，造成尺寸超差。
2.加工方案制定
2.1 加工基准的确定
由于零件最终成型为薄壁零件，如果将零件的一面加工完成后，再以加工完成的表面定位加工零件的另一表面，加工时仅能采用轴向压紧的方式进行零件的装夹，但这种方式一方面存在定位误差，另一方面在加工时压紧的部位会与刀具产生干涉现象，这样就需要反复的松开、压紧零件的装夹部位，这种方式产生的零件变形会受零件的人为压紧力大小的变化而变化，变形量可达0.15mm，远超出零件的公差要求。
为防止上述现象的发生，采用了预留工艺基准的方法，在零件的外圈增加余量，10mm左右的环带，作为工艺基准面，然后将零件的上下表面应用平面磨床磨平整，高度尺寸公差控制在0.01mm以内，作为下一工序—铣加工型面的基准，待铣加工完成上下型面后应用线切割的方法将其去除。
2.2 刀具的选择
为防止零件变形，尽可能选用小规格刀具，高速加工，并将零件进行去应力热处理，这样就避免了零件的内应力加工变形。根据零件材料，选择国产硬质合金立铣刀，双刃，大螺旋角，刃前部位空间大，易于排屑，而且刀具耐磨、价格低。经过实践发现该刀具非常适合此材料的高速加工。为防止在拐角处走刀路径忽然改变而导致冲击力太大，所以高速加工时清根加工刀具规格尽量避免选用与拐角半径一致的刀具，故此次选用Φ6mm的立铣刀（拐角为R3mm）。装刀时，刀具尽可能缩短伸出长度，以保证高速加工时的刀具强度。
2.3 加工方式的确立
此零件的数控加工程序是基于UG软件生成的。应用此软件画出实体，按设计尺寸正确构造出要加工的轮廓线生成实体模型，选择适当的加工部位和参数等即可生成用于加工的程序。
下刀方式：采用螺旋下刀，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷。走刀方式：选用平行环绕并清角（Pocket-Parallel，Spiral，clean Cor-ners）方式，从内到外，四个型腔同步加工，可以减少零件加工受力不均，避免加工变形。进、退刀方式：以圆弧方式接近、离开工件，可以避免忽然接触工件时产生接刀痕，保证零件的表面质量。加工时按顺铣方式，将底面的加工余量分两次完成，粗铣时吃刀量0.5m，刀路重叠80%，转速6000r/min，进给速度1400mm/min；精加工时，背吃刀量0.1mm，转速升至8000r/min，进给1600mm/min，底面的表面质量非常好。其道路轨迹如图二所示，由里向外逐步扩展，与外形相似，刀路平顺、柔和，尽量减少剧烈变化，以免引起机床振动。需要注意的是，精加工底面时，侧面是无余量切削，以免铣到侧面是吃刀量增大零件受力变形。
粗铣时走刀方式选用Contour（外形铣削）方式。加工时，按Z轴分层并以顺铣的方式进行，转速6000r/min，进给速度1400mm/min，型腔同时逐层向下铣，层切深为0.5mm。但不可一个型腔铣削后在铣削下一个型腔。由于，当第一个型腔加工完后，内部筋的壁厚只剩2mm左右，而加工下一个型腔时，这会导致支撑力变小，内部筋受切削力的影响而变形；若四个型腔同时逐层向下铣削时，相对而言支撑力要大得多。加工的刀路轨迹如图二所示。
3.加工方案验证
按上述加工方案对零件进行加工验证，原夹紧方式为三爪卡盘径向夹紧方式加工零件的一面，再反复装夹、压紧零件的不同部位进行加工零件的另一型面，这样的方式易使零件的内部产生加工应力，当零件拆卸下来的时候发生变形，采用轴向的压紧方式，由于零件的上下两平面均为磨削出来的，且工艺基准不会受压紧力的影响，所以零件的变形得到了较好的控制。
另外，刀具的选择，大大减小了加工变形量。并且采用高速加工的方法，使铣刀的切削力降低，应注意避免和减小加工应力集中。
采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。传统的切削加工方式为“重切削”方式，每一刀切削排屑量大（切削深度大，但进给速度低）；而高速切削为“轻切削”方式，采用小吃刀深度、高主轴转速和高进给速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削线速度大，进给速度高，这样可显著提高工件材料切除率，切削效率高。
4.试验结论
零件的加工表面质量好。这是高速切削时显示出的优势，切削液的充分润滑、冷却、冲洗和排屑断屑作用，减少刀具与工件、切屑之间的摩擦，降低切削力，切屑迅速排除，切削热也随着铁屑一起排出，刀具耐用度提高，保证了工件加工精度要求。尽管高速切削的各种特定条件和影响高速切削的各种因素，给相应的技术解决方案及措施带来很多难点，如针对不同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数、相应的断屑槽形，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应等。但通过尝试后，应用这些改进措施，高速切削保证了零件的加工质量，超出了常规切削的加工质量、生产率和刀具耐用度，且生产成本低，在高速切削过程中，大部分的切削热被切屑和刀具承载，切屑被快速处理掉，而刀具却持续承受切削热和切削力，这样保证了零件的加工质量，避免零件的变形。
综上所述，尽管高速切削加工的刀具和机床成本有所增加，但由于节省了大量的切削成本，而且切削速度提高、切削时间变短、设备利用率提高，使得综合生产成本大幅度下降。
5.结束语
本文通过以上对薄壁零件在数控铣机床上加工过程的研究，针对加工过程中导致零件变形的因素做了一些改进方案和新的加工技巧，消除零件在整个加工过程中的變形，直至零件各工序加工合格。为薄壁零件的加工做了大量的工作，由于现阶段质量和效率决定着一个企业的成败，这里对目前我们加工此类零件进行了初步的总结和探讨，希望能对此类产品的加工有所帮助。
参考文献
[1] 张云电.薄壁缸套生产技术.国防工业出版社，2000.
[2] 北京市“金属切削理论与实践”编委会.金属切削理论.北京出版社，1997.
[3] 袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技术.机械工业出版社，2002.
[关键词]薄壁；高速；程序设计；磨损补偿
中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0044-01
引言
近年来，随着数控技术的发展，数字化控制的加工中心设备为生产加工开辟了新的加工模式，越来越多的机械行业开始采用数控设备加工多型面、高精度尺寸等要求较复杂的零件。而对于小型数控机床来说，一般新设备的加工精度和重复定位精度均可达到0.008mm，加之刀具、夹具、加工材料等因素的影响，所加工出零件的尺寸精度一般可达到0.02mm，对于大部分航空零部件的加工要求均可满足，但目前对于薄壁件来讲，零件的加工质量、效率不易保证，本文是在加工隔板等零件时，利用这些设备，采用了避免加工变形的方法，进行高效的加工，最终完成零件的优质交付，保证整个切削过程的稳定性。
1.零件的工艺分析
此零件模型见下图一，零件材料为30CrMnSiA，硬度不高，但表面粗糙度不易保证。零件结构相对复杂，壁厚薄、精度和表面质量要求高且零件为中小批量生产，利用普通的数控加工方案和编程技术，不能满足加工精度和批量生产的需要。零件的结构特点为：切削性能良好，属于典型的薄壁盘类结构，外形尺寸不大，周边及内部筋的厚度仅为1mm，型腔深度为3mm。此零件在加工过程中如果工艺方案或加工参数设置不当，极易变形，造成尺寸超差。
2.加工方案制定
2.1 加工基准的确定
由于零件最终成型为薄壁零件，如果将零件的一面加工完成后，再以加工完成的表面定位加工零件的另一表面，加工时仅能采用轴向压紧的方式进行零件的装夹，但这种方式一方面存在定位误差，另一方面在加工时压紧的部位会与刀具产生干涉现象，这样就需要反复的松开、压紧零件的装夹部位，这种方式产生的零件变形会受零件的人为压紧力大小的变化而变化，变形量可达0.15mm，远超出零件的公差要求。
为防止上述现象的发生，采用了预留工艺基准的方法，在零件的外圈增加余量，10mm左右的环带，作为工艺基准面，然后将零件的上下表面应用平面磨床磨平整，高度尺寸公差控制在0.01mm以内，作为下一工序—铣加工型面的基准，待铣加工完成上下型面后应用线切割的方法将其去除。
2.2 刀具的选择
为防止零件变形，尽可能选用小规格刀具，高速加工，并将零件进行去应力热处理，这样就避免了零件的内应力加工变形。根据零件材料，选择国产硬质合金立铣刀，双刃，大螺旋角，刃前部位空间大，易于排屑，而且刀具耐磨、价格低。经过实践发现该刀具非常适合此材料的高速加工。为防止在拐角处走刀路径忽然改变而导致冲击力太大，所以高速加工时清根加工刀具规格尽量避免选用与拐角半径一致的刀具，故此次选用Φ6mm的立铣刀（拐角为R3mm）。装刀时，刀具尽可能缩短伸出长度，以保证高速加工时的刀具强度。
2.3 加工方式的确立
此零件的数控加工程序是基于UG软件生成的。应用此软件画出实体，按设计尺寸正确构造出要加工的轮廓线生成实体模型，选择适当的加工部位和参数等即可生成用于加工的程序。
下刀方式：采用螺旋下刀，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷。走刀方式：选用平行环绕并清角（Pocket-Parallel，Spiral，clean Cor-ners）方式，从内到外，四个型腔同步加工，可以减少零件加工受力不均，避免加工变形。进、退刀方式：以圆弧方式接近、离开工件，可以避免忽然接触工件时产生接刀痕，保证零件的表面质量。加工时按顺铣方式，将底面的加工余量分两次完成，粗铣时吃刀量0.5m，刀路重叠80%，转速6000r/min，进给速度1400mm/min；精加工时，背吃刀量0.1mm，转速升至8000r/min，进给1600mm/min，底面的表面质量非常好。其道路轨迹如图二所示，由里向外逐步扩展，与外形相似，刀路平顺、柔和，尽量减少剧烈变化，以免引起机床振动。需要注意的是，精加工底面时，侧面是无余量切削，以免铣到侧面是吃刀量增大零件受力变形。
粗铣时走刀方式选用Contour（外形铣削）方式。加工时，按Z轴分层并以顺铣的方式进行，转速6000r/min，进给速度1400mm/min，型腔同时逐层向下铣，层切深为0.5mm。但不可一个型腔铣削后在铣削下一个型腔。由于，当第一个型腔加工完后，内部筋的壁厚只剩2mm左右，而加工下一个型腔时，这会导致支撑力变小，内部筋受切削力的影响而变形；若四个型腔同时逐层向下铣削时，相对而言支撑力要大得多。加工的刀路轨迹如图二所示。
3.加工方案验证
按上述加工方案对零件进行加工验证，原夹紧方式为三爪卡盘径向夹紧方式加工零件的一面，再反复装夹、压紧零件的不同部位进行加工零件的另一型面，这样的方式易使零件的内部产生加工应力，当零件拆卸下来的时候发生变形，采用轴向的压紧方式，由于零件的上下两平面均为磨削出来的，且工艺基准不会受压紧力的影响，所以零件的变形得到了较好的控制。
另外，刀具的选择，大大减小了加工变形量。并且采用高速加工的方法，使铣刀的切削力降低，应注意避免和减小加工应力集中。
采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。传统的切削加工方式为“重切削”方式，每一刀切削排屑量大（切削深度大，但进给速度低）；而高速切削为“轻切削”方式，采用小吃刀深度、高主轴转速和高进给速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削线速度大，进给速度高，这样可显著提高工件材料切除率，切削效率高。
4.试验结论
零件的加工表面质量好。这是高速切削时显示出的优势，切削液的充分润滑、冷却、冲洗和排屑断屑作用，减少刀具与工件、切屑之间的摩擦，降低切削力，切屑迅速排除，切削热也随着铁屑一起排出，刀具耐用度提高，保证了工件加工精度要求。尽管高速切削的各种特定条件和影响高速切削的各种因素，给相应的技术解决方案及措施带来很多难点，如针对不同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数、相应的断屑槽形，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应等。但通过尝试后，应用这些改进措施，高速切削保证了零件的加工质量，超出了常规切削的加工质量、生产率和刀具耐用度，且生产成本低，在高速切削过程中，大部分的切削热被切屑和刀具承载，切屑被快速处理掉，而刀具却持续承受切削热和切削力，这样保证了零件的加工质量，避免零件的变形。
综上所述，尽管高速切削加工的刀具和机床成本有所增加，但由于节省了大量的切削成本，而且切削速度提高、切削时间变短、设备利用率提高，使得综合生产成本大幅度下降。
5.结束语
本文通过以上对薄壁零件在数控铣机床上加工过程的研究，针对加工过程中导致零件变形的因素做了一些改进方案和新的加工技巧，消除零件在整个加工过程中的變形，直至零件各工序加工合格。为薄壁零件的加工做了大量的工作，由于现阶段质量和效率决定着一个企业的成败，这里对目前我们加工此类零件进行了初步的总结和探讨，希望能对此类产品的加工有所帮助。
参考文献
[1] 张云电.薄壁缸套生产技术.国防工业出版社，2000.
[2] 北京市“金属切削理论与实践”编委会.金属切削理论.北京出版社，1997.
[3] 袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技术.机械工业出版社，2002.