浅析切削力对薄壁零件数控铣削加工变形影响及控制方法

摘 要：薄壁零件在许多高精尖领域已经得到了广泛的应用，然而薄壁零件的刚性差，加工过程中极易发生变形，因此薄壁零件的加工变形控制是该类零件加工的重点与难点。影响零件加工变形的因素有很多，本文主要分析了在数控加工过程中切削力对于薄壁零件加工变形的影响，并提出对应的变形控制方法。

关键词：薄壁零件、数控加工、变形控制

1 前言

薄壁零件在许多高精尖领域已经得到了广泛的应用。薄壁零件的刚性差，加工过程中极易发生变形，因此薄壁零件的加工变形控制是该类零件加工的重点与难点。随着高速加工技术的工程应用逐渐成熟，高速加工技术在薄壁零件加工中的应用也日渐广泛，薄壁零件的加工变形控制技术得到了极大的提升[1][2]。然而，高速加工仍没有办法从根本上解决薄壁零件的加工变形问题，薄壁零件的加工变形仍是该类零件加工的难点。

薄壁零件的结构按照加工特点可以分为筋板与腹板，其中筋板主要是利用铣刀的侧刃进行加工，腹板是利用铣刀的底刃进行加工。影响零件加工变形的因素有很多，切削力的影响最为直接。因此，本文主要分析了在数控加工过程中，切削力对于薄壁零件筋板与腹板的加工变形影响，并提出对应的变形控制措施。

2 立铣刀铣削模型

如图2.1所示，为立铣刀的铣削模型示意图。在铣削加工中，刀具与工件之间主要存在四个类型的作用力：1、刀具前刀面与工件及切屑间的压力，该作用力方向垂直于刀具前刀面；2、在前刀面上，与切削刃垂直的刀屑摩擦力；3、刀具后刀面与工件之间的压力；4、刀具后刀面与工件已加工表面间的摩擦力。为方便分析，将总的切削面积划分为如图所示的多个微单元，通过计算所有处在切削区域的每个单元的受力状况，即可获得铣削力的空间分布状态。将所有处在切削区域的单元力相加， 便得到了总的切削力。

在本文中，为了简化分析，将三个力的合力在x、y、z方向上分解，得到切向分力F（x）、径向分力F（y）和轴向分力F（z）。同时，假设在Z轴方向上刀具的径向分力F（y）均匀分布，即为均布载荷q。

3 原理分析及变形控制方法

3.1 切削力对于筋板加工的影响

3.1.1 原理分析

在侧铣筋板时，如果刀具是顺铣，即零件在走刀轨迹的右边，那么刀具将对筋板产生如图3.1所示的压力载荷。在该压力载荷的作用下，筋板将向远离刀具的方向弯曲变形，从而产生让刀现像，导致筋板加工的尺寸上厚下薄。而且筋板越高越薄，让刀现像越严重。

如果刀具是逆铣，那么刀具将对筋板产生如图3.2所示的拉力载荷。在该载荷的作用下，筋板将向靠近刀具的方向弯曲变形，从而导致筋板加工的尺寸上薄下厚。

3.1.2 筋板加工的变形控制方法

由前文分析可知，在薄壁筋板加工时，筋板的高度厚度比是加工时要考虑的重要因素，当高度厚度比值相对较大时，宜采用对称切削（如图3.3（a））或者台阶切削（如图3.3（b））进行加工。对称切削与台阶切削的原理是通过保留基部厚度来增强整个结构的加工刚性，从而减小筋板让刀。

3.2 切削力对于腹板加工的影响

3.2.1 原理分析

如图3.4所示，在立铣刀加工时，工件与切屑将对刀具产生垂直于刀具前刀面的压力。该压力的z向分力方向向下，因此，立铣刀在加工时对工件产生向上的拉力。在拉力的作用下，如果零件的腹板刚性不足，那么腹板将产生向上的变曲，从而使得底面加工尺寸比理论尺寸偏薄，或者使得腹板的加工出现接刀差，影响加工的表面质量。

3.2.2 腹板加工的变形控制方法

可以通过以下几个途径减小铣削力对于腹板加工的影响：

（1）合理配置切削余量与切削参数，选择合适的走刀方向。

（2）合理设置工艺搭子的位置、类型与数量，提高底面加工时的刚性；

（3）选择合理的工装，例如使用真空工装等对于底面的加工质量改善效果显著；

（4）对于悬空的底面，可以利用石膏等进行辅助支撑，从而达到增强底面加工刚性的效果。使用填充物来补充强度时，需要注意的是填充物的膨胀和收缩也会导致零件的变形，因此若采用此类方法进行加工的时候应该注意时效。

4 结语

薄壁零件的加工变形控制是机械加工中的难题，涉及到众多复杂的加工因素，如果零件的加工方式、加工原理没有被颠覆，那么该类零件的变形控制将成为学界研究的永恒课题。本文简要分析了数控铣削加工中切削力对薄壁零件的筋板与腹板加工变形影响，并提出对应的变形控制方法供同行们参考。

参考文献

[1] 林胜.HSM在航空制造业中的应用.航空制造技术，2003，（3）：25～28，76

[2] 朱从容，顾平灿.高速切削技术及高速切削机床.精密制造与机床， 2002， （3）：14～15

作者简介：

陈志锰（1987-），男，籍贯：福建，学历：研究生，职称：助理工程师，研究方向：数控加工。