薄壁零件数控加工工艺质量改进分析

薄壁零件数控加工工艺质量改进分析

李 盼

( 台州学院, 浙江台州,318000)

摘要：计算机技术和仿真技术的迅猛发展推动着薄壁零件数控加工工艺由不成熟的工艺发展蜕变为工程科学。在此过程中， 薄壁零件数控加工技术研究由传统的经验研究转变为科学的“定量分析”。薄壁零件存在的问题是刚性差、结构较复杂，在数控加工中易变形且难以控制，加工质量得不到切实保障。

关键词：薄壁零件；数控加工；工艺质量；改进分析

Analysis of thin-walled parts CNC machining process quality

improvement

Li Pan

（Taizhou University,Zhejiang Taizhou,318000）

Abstract ：The rapid development of computer technology and simulation technology are pushing the thinwalled

parts CNC machining process by the process of transformation of immature development of Engineering

science.In this process,the processing technology of the thin wall parts CNC experience traditional

research into scientific quantitative analysis "".Thin wall parts there is the problem of poor rigidity,

structure is complex, in NC machining deformation and difficult to control,the processing quality can not

be guaranteed.

Keywords ：thin-walled parts;NC machining;process quality;analysis

伴随着现代加工工艺的发展，薄壁零件数控加工技术愈加的

精密高效，已逐渐发展成为现代高科技产业的基础，已越来越成

为国家先进制造技术水平的重要衡量指标。薄壁零件数控加工技

术在普通的数控机床实现了薄壁零件数控加工，生产出来的这些

零件被广泛应用到现代工业的各个领域，包括军事、航空航天等。

在薄壁零件数控加工技术发展的过程中，计算机技术和仿真技术

在这一过程中发挥了不可忽视的重要作用，高精密机床在现代加

工业的运用，结合高仿真系统的分析，在数控加工前期对数控加

工进行预防性仿真，利用数据来分析和减小数控零件的变形，并

利用模拟平台模拟实际中的约束，建立工艺模型。下面本文将具

体分析薄壁零件数控加工过程中影响工艺质量的因素，并结合因

素提出相对应的改进优化方案，具体从改进装夹方案、修改切削

参数、修正刀具路径等方面来具体阐述改进优化方案，借此来提

高加工工艺的整体质量。

1 薄壁零件数控加工工艺质量影响因素分析

保证薄壁零件的加工精度一直是现代高科技产业和先进制

造企业不懈追求的目标，也是现代精密制造业的一个难题。薄壁

零件虽然具有轻量化的优点，但是此类零件的刚性较小，结构比

较复杂，在数控加工过程中极易变形甚至损害，因此，薄壁零件的

数控加工成为了机械加工业存在的一个难题。要提升薄壁零件数

控加工的精度，需要对影响数控工艺精度的因素进行详细的分

析，从影响因素当中得出最佳改进优化方案。影响数控加工工艺

精度的因素主要有机床精度及其刚度、工艺工度路线、工件（热、

力）变形、走刀路径与方式、切削速度、深度及进给量、装夹引起的

变形、刀具变形与磨损等等。加工精度的严格定义是加工后零件

实际表面与图纸理想几何参数之间的符合程度。结合加工精度所

涉及的因素，影响数控加工工艺的最主要因素是零件变形。因此，

要提升薄壁零件数控加工工艺的精度，最主要的措施是要解决变

形问题，要重点解决零件本身及工艺系统刚度和零件应力变形而

引起的零件变形问题，着重分析上述影响因素，保证零件成品实

际表面的尺寸、大小、位置方面能够最大限度的符合图纸上的理

想几何参数。

1.1 零件装夹对加工精度的影响

零件本身的刚度是影响零件加工精度的一个重要因素，对这

一因素的改进是选择适当的装卡夹紧方式，通过改进装夹方案来

提高数控工艺加工精度。在薄壁零件数控加工的过程中，需要仔

细分析零件的位置以及夹紧装置，对引起变形的应力的部位以及

作用方向进行细致的数据分析，夹紧装置可以采取专用夹具例如

辅助支承、施工圈、胀套等等，此外，薄壁环形工件采用轴向装卡

来代替径向装卡，通过这一系列的改进优化措施对零件变形采取

有力的预防和解决措施。这是改进精度的第一个方面，提升精度

的第二个方面是增强零件的刚度，最常用的是临时增加工件壁厚

的方式，增加工件厚度通常是对数控零件的空心处进行浇灌，比

如浇灌石蜡、松香等。待整的数控加工过程完成以后再去除这些

辅助材料。

1.2 切削角度对切削质量的影响

试验证明，在机床机构系统和刀具几何参数确定的前提下，

切削力主要受切削速度、进给速度、背吃刀量和切削宽度等因素

的影响，其中，刀具角度对切削质量的影响是非常显著的，适当加

大刀具的前角和后角，可以有效减少切削变形和摩擦，从而有效

削弱切削力，最大限度的控制变形。此外i，影响加工精度的因素

还有加工的主偏角和副偏角，加工时的轴向和径向切削力的分配

由主偏角决定，对于刚性较差的零件来说，主偏角应尽可能的偏

向90°。借用此方法来提高零件数控加工的强度，以此来提升加

工精度。

1.3 走刀方式与路径的分析

走刀方式与路径也是影响零件数控加工工艺的一个重要因

素，对这一因素的改进也可以有效提升加工精度。通过改进走刀

路径和方式，可以有效提高零件质量。在走刀的众多方式中，一次

性粗加工法和阶梯式粗加工法这两种新型的方法可以高效、高速

的对零件进行粗工，这两种方法均是沿着高线轨迹和加工等量均

匀的走刀路线进行加工。在传统的走刀路径中，新的走刀路径克

服了传统走刀路径沿斜线方向加工的弊病，此时的刀具沿x 或y

方向在等高线上做平动，切除多余金属，这样可以切削过程中余

量切削均匀，有利于增长刀具使用寿命，也能在一定程度上提高

加工质量。

1.4 合理的工序工艺路线对工艺

要提高数控加工工艺的质量，必须弄清数控加工零件的变

形规律，并对这一规律进行研究和分析，保证数控加工零件质量

的关键是制定合理的工序工艺路线，该路线必须着重解决工序工

艺中的变形问题，并对其给与解决方案，研究和掌握其变形规律，

在整个的工序过程中，依据加工时的受力情况选择合理的定位基

准，为了有效避免加工振动，零件的定位面 和定位元件之间的接

触应紧密结合。在选择合理的加工工序路线的过程中，要选择正

确的零件和夹具，合理分配加工余量。

2 结合影响提出的改进优化方案

对于数控加工，前期的工艺设计是保证加工工艺质量的关键

方面，主要是采取仿真技术，模拟加工工艺系统，并结合工艺系统

的几何特性和物理特性，得出优化改进方案，数控加工包括几何

仿真和物理仿真，前者将机床、刀具、工件等称为刚形体，通过刀

具路径来检查宏观误差，物理仿真将工件、刀具、机床等是为弹塑

性体，简历工艺模型，分析微观误差。

2.1 基于仿真数控的工艺质量改进

这里具体谈一下改进方法，依据公式KU=F 这一公式来具体

分析，K 是工件中的整体刚度矩阵，F 是工件上的载荷列阵，U

是工件变形。由公式可以看出，在零件整体刚度一定的条件下，工

件上的载荷列阵与工件变形u 之间是成反比的，所以，提高K 或

者减少F 都可以减少变形U。此外，还有一种方式就是在K 和F

之间，通过补偿减少变形量U，比如在工件原有刚度的基础上补

偿工件刚度，通过填充零件的方式来提高刚度，待零件完工后去

掉填充物。这些措施都是基于分析影响零件变形的因素的基础上

而得出的具体措施，是理论联系实际思想在工业加工中的具体表

现，所以，这些措施可以有效提高零件数控加工工艺的精度和总

体的加工质量。

2.2 提高操作的主动性，推行刀具路径修正法

在生成刀具路径时，要事先考虑工件变形，工件变形是影响

工件加工质量非常关键的一个因素。对于薄壁零件来说，其轻量

化的发展趋向，使得其刚度问题成为制约零件数控加工技术发

展的一个重要障碍。由于其刚度低，在数控加工过程中因刚强度

的夹紧和切削，引起零件变形的几率还是非常大的。针对这一问

题，，在加工过程中要事先考虑工件加工变形发生的可能性，以及

零件变形可能会引起的零件回弹量，这就要求我们，在数控加工

的过程中要不断的修改或补偿刀具路径，要细致观察工件加工过

程中出现的各种状态，随时准备修正刀具路径，保证刀具路径始

终控制在正确的操作轨道上，避免出现因刀具路径的偏差而引起

的工件失误。通过修正或补偿刀具路径来来减少变形回弹误差。

在工件夹紧切削的时候，切削速度和切削角度也会影响薄壁零件

的数控加工，。对于切削角度而言，要依据科学的数据计算，来辅

助操作。数据显示，适当加大切削刀具的前角和后角，可以有效控

制切削速度和刀具摩擦，那么对于降低因切削而引起的变形和摩

擦。

2.3 改进零件装夹方式，优化零件装夹方案

零件的装夹力也是影响零件数控加工工艺质量和加工零度

的一个重要因素，对于刚度较小的薄壁零件数控加工来说，若是

在工件加工过程中施加的夹紧力过大，则薄壁零件发生变形的可

能性还是非常大的，这样会损害加工零件的精度和质量，在工件

加工的过程中，还有一个力与夹紧力相对应，那就是支撑力。支撑

力和夹紧力所侧重的加工位置是不一样的，因为薄壁工件本身的

刚度是较小的，所以需要支撑力的支持来增大零件本身的强度，

所以，支撑力应该作用于强度较小的表面，那么，相对应的，夹紧

力在一定程度上是在降低工件的刚度，所以，应该将夹紧力作用

于零件刚度较大的表面。这样，将夹紧力与支撑力合理分配给了

不同强度的零件表面，做到了科学控制，又在数控的基础上人为

降低了薄壁零件发生变形的可能性，而且该措施可行性强，科学

合理，对于控制薄壁零件的变形还是非常有效的。此外，装夹位置

和工具也需进一步优化，在装卡夹紧之前，要对工件的夹紧位置

进行详细的数据分析，对工件上的应力进行专业分析，可以采用

更加先进的装夹装置例如胀套、辅助支承和施工圈等进行必要的

加工辅助，最大限度的降低夹紧装置以及夹紧力失误所带来的工

件变形。夹紧装置与提高薄壁零件的刚度两个方面进行预防和准

备，这样一个双管齐下的措施可以有效降低工件变形发生的可能

性。

3 结束语

现代加工工艺的迅猛发展，薄壁零件数控加工技术在现代

加工业中的应用大规模普及，对薄壁零件加工工艺的质量要求也

有了一个很大层次的提升。薄壁零件的质量把关也逐渐的严格起

来，我们应该细致的分析影薄壁零件加工的相关因素，对每一个

因素是影响加工工艺的方式做到成竹在胸，应该着重突出主要因

素对薄壁零件的影响，例如夹紧装置的影响、切削速度的影响、走

刀路径的影响、在操作过程中各种因素引起的零件变形的影响，

其实，零件变形所引起的工件误差是最主要的，所以改进薄壁零

件数据加工质量的关键，是要减小工件变形以及加工变形。因此，

基于以上分析，我们应该着力控制工件变形和加工变形，对于引

起工件变形的因素如切削力、切削速度、装夹力、装夹装置等给予

足够的控制，并在科学的数据分析的基础上，对它们采取合理有

效的预防和控制措施，做好了这些工作，薄壁零件的数控加工工

艺质量才会在有科学保障的基础上顺利实现。要善于发现和分析

整个加工过程中的全部影响因素，并针对这些问题提出相对应的

解决和优化措施，通过科学的分析和预防提高薄壁零件数控加工

工艺的质量，促进现代加工业的发展。