浅谈薄壁零件的加工方法
作者：陈贵荣
来源：《科学与财富》2015年第19期
摘要：模具制造经常会遇到使用数控铣或加工中心加工薄壁零件（铜合金的电极），针对薄壁类刚性差、加工工艺性差、易发生加工变形和切削振动等情况，本文通过改进薄壁零件加工方法和切削工艺，合理地选择刀具，优化编程等策略，来保证薄壁零件加工后的变形和精度达到要求。
关键词：薄壁工件加工变形加工方法
一、前言
如下图1，此类薄壁电极零件在模具制造过程中很常见，如数码类、手机类、机壳类等产品模具的加工尤为重要，薄壁电极在模具行业也称骨位。
电极材料通常使用铜和铜合金。
此类薄壁电极零件结构简洁、壁高而薄、加工余量大、而铜和铜合金的强度和硬度较低，线性膨胀系数大，故加工工艺性差。
在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。
此工件要求的精度厚度变化小于0.02mm，如果采用传统的加工方法和工艺不能控制工件的变形和达不到精度要求。
下图1所示一款电器上的常见薄壁电极，工件最窄处W=0.6，而此部位却高H=15 即宽比高=0.6：15。
因此，研究铜合金薄壁零件加工技术具有较大的现实意义。
图1
二、工艺分析
机械加工中影响加工质量的几个因素是：
1、刀具的描摹
刀具切削刃和后刀面在工件表面的描摹及后刀面和弹性恢复的切削表面相互摩擦，二者都影响到工件表面的精度和变形。
2、表层的塑性变形
由于在切屑形成过程中撕裂很大，塑性变形影响到工件表面的粗糙度精度。
而影响塑性变形的因素有：
（1）切削速度对塑性变形和表面粗造度影响较大，在低速切削时塑性变形小，表面粗造度也较低；高速切削时，由于切削速度超过了塑性变形的速度，所以可以具有低的表面粗糙度。
（2）进给量和背吃刀量的变化造成切削力的变化导致塑性变形层的深度和塑性变形的程度受到影响。
（3）刀具的几何形状影响到切削力从而影响到塑性变形的深度和塑性变形的程度。
（4）工艺参数和加工方式对侧铣薄壁件切削力的影响，实践结果表明轴向切深对切削力的影响最大，其次是每齿进给量、径向切深，切削速度影响最小。
不同的铣削方式对切削力的大小也有一定的影响。
三、工艺系统的变形和振动
在机械加工过程中，由于切削力、夹紧力、重力、惯性力、传动力等的作用，会引起工艺系统的变形，同时，由于切削力受力点位置变化、毛坯加工余量变化和材料硬度变化，会引起工艺系统变形的变化。
工艺系统的变形及其变形的变化都会产生工件的尺寸误差和几何形状误差。
由切削原理可知，径向切削分力Fy和切削深度t成正比，即Fy=Ct，由此引起的工艺系统受力变形为y1=Ct1/K系统，y2=Ct2/K系统，其中K系统为工艺系统在y方向的刚度，
Δ工件= y1- y2=C（t1- t2）/K系统，
由于Δ毛坯=t1- t2，所以Δ工件=CΔ毛坯/K系统，令ε=C/K系统，则有Δ工件=εΔ毛坯，该式表明了加工误差与毛坯误差之间的比例关系，说明了误差复映规律，其中ε为误差复映系数。
当加工过程分成几次走刀进行时，每次走刀的复映系数为ε1、ε2、ε3……，总的复映系数ε总=ε1ε2ε3……。
由于复映系数ε总小于1，经过几次走刀后，ε可以降到很小的数值。
通过合理选用切削用量和刀具几何参数，可尽量减小切削力及切削力的变化所引起的变形。
为尽力减少误差复映规律所造成的变形，应合理分配加工余量，分多工序多次走刀加工，把该形式的变形控制到最小。
工艺系统动误差中的受热变形主要由切削热、摩擦热等引起，为了减少工件和刀具的热变形，应合理选择刀具的几何参数，合理选用冷却液充分冷却。
因安装误差使刀具在实际加工时产生0.01mm～0.02mm左右摆动，刀具高速旋转时会产生离心力和振动，工艺系统的振动同样也会影响塑性变形和表面粗糙度。
四、工艺措施
1、选用合理的切削用量
（1）薄壁零件铣削时变形是多方面的。
装夹工件时的夹紧力，切削工件时的切削力，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削区温度升高而产生热变形。
（2）切削力的大小与切削用量密切相关。
从《金属切削原理》中可以知道，背吃刀量ap，进给量f，切削速度V是切削用量的三个要素。
1）背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对铣削薄壁零件极为不利。
2）减少背吃刀量，增大进给量，切削力虽然有所下降，但工件表面残余面积增大，表面粗糙度值大，使强度不好的薄壁零件的内应力增加，同样也会导致零件的变形。
所以，粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些；精加工时，背吃刀量一般在0.1-
0.3mm，进给量一般在0.02-0.04mm/r，甚至更小，主轴转速12000-24000r/min，精铣时用尽量高的切削速度。
合理选用三要素就能减少切削力，从而减少变形。
2、合理地选择及改进刀具，减少刀具的描摹作用
（1）刀具材料的选择。
切削有色金属时，切削温度较低容易形成崩碎切屑，切削力集中在刀刃附近，因此刀具需要较好的抗弯强度和韧性，选用进口的钨钢刀立铣刀。
（2）刀具角度的选择。
当刀具材料选定后，刀具的几何参数就是主要因素。
工件材料的强度和塑性变形关系着刀具受力情况，切削铜及铜合金等强度低、塑性好的材料时，前角可选大些，刃口锋利切屑易于流出，变形和摩擦力就会减少；精加工时切削厚度相对少，切削力较小，可选用较大的后角。
粗加工反之亦然。
精加工选用大螺旋角度55度的立铣刀。
（3）刀具的改进。
由于铣削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形，为防止刀具因“让刀”变形对侧壁的干涉。
因此可以选用或刃磨特殊形状铣刀。
刃磨前如图2，将刀具单边刃磨0.1的余量使有效切削刃变短为1-2mm，刃磨后图3，以降低刀具对工件的变形影响和干扰。
图2
图3
3、设计正确的加工工艺和加工方法
薄壁电极加工整体思路：先粗加工→半精加工顶曲面→精加工顶曲面精加工侧壁和平面→半精加工薄壁→精加工薄壁。
具体分析如下：
（1）粗加工。
粗加工是为提高生产效率，迅速去除多余材料，薄壁部位与其他部位一起粗加工。
关键薄壁部位宽处要留够多余量防止粗加工时因速度快、吃刀量大造成薄壁部位变形，粗加工方式应采用环绕走刀式不采用平行走刀式，一次走刀由四周向中间螺旋扩展至侧壁，实际加工表明该方法较为有效的降低了刀具接近薄壁部位时产生撞击力造成薄壁部位变形。
同时刀具要求有足够的强度。
（2）半精加工顶曲面。
充分有效利用零件未加工部分作为支撑的刀具路径优化方案可以有效的解决薄壁半精加工顶曲面时，受到刀具切削时产生的径向切削力造成的工件变形。
同时考虑到粗加工刀间距和切削深度较大，曲面残料过多，半精加工是为了去除过多的残料，使精加工余量均匀，刀具选择应考虑承受粗加工所留残料而不至断刀，且不会留下过多的残料而给精加工造成困难。
曲面半精加工，选择 6mm球刀。
（3）精加工顶曲面。
精加工需达到要求的尺寸精度和表面精度，同时兼顾效率，选择刀具时要考虑刀具强度及是否会留有残料或过切。
（4）精加工侧壁和平面。
先精加工侧壁有效利用零件未加工部分作为支撑的刀具路径优化方案可以有效的解决薄壁在宽度方向上所产生的侧向切削力造成工件变形甚至弯曲。
（5）半精加工和半精加工薄壁。
精加工侧壁时有效利用零件未加工部分作为支撑，加工分层铣削环绕外型走刀式，让应力均匀释放。
精加工需达到尺寸精度和表面精度的要求，同时兼顾效率。
通过多次加工实验得到每层切削深度可达到0.1-0.2mm，进给量一般在0.02-
0.04mm/r，甚至更小，主轴转速12000-24000r/min，曲面上有R3mm的圆角处，选择 6mm刃磨后的球刀。
4、设计增加零件的刚性和改进加工后的变形
补充说明：下面部分是用于找正电极与模具位置，不用于放电，中间部分是用于加强上面部分也不用于放电，上面部分才是真正电极最难加工的即容易变形部位。
通过在电极底部增加一块75*35*25大小的45#钢料如图4所示，采用虎钳夹住钢料处。
从而有效增加零件的刚性同时改进加工后残余应力引起的变形。
图4
1-电极主体 2-螺钉 3-加强快45#钢料
五、结论
实践证明针对铜及铜合金薄壁类零件通过改进加工方法和切削工艺，合理地选择刀具，优化了编程策略，完全可以加工薄壁零件同时还保证加工后的不变形和精度达到要求，也可用于铝及铝合金的薄壁类零件加工。
六、致谢
在论文写作过程中，得到了国防高技老师和我系系主任孙名楷的悉心指导，同时也得到了单位很多同事的大力支持，在此表示诚挚的感谢。
参考文献
（1）王志厚.薄壁零件加工中防止变形的措施[J].宝成技术，1991（2）：20—37.
（2）《机械加工工艺设计手册》北京：航空工业出版社 1987。