CN105522353A - 一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，步骤1）薄壁零件粗加工，采用铣削方式粗加工薄壁零件，各面留加工余量0.5mm；步骤2）热处理去加工应力，将粗加工后的薄壁零件进行加热，加热温度为140±10℃、保温5～7h，空冷到室温；步骤3）精加工基准面，将热处理后的薄壁零件采用铣削及研磨方式加工基准面，与夹具接触的基准面平面度0.002mm，定位内孔基准面的垂直度0.01mm及尺寸Φ88+0.03？+0.02；步骤4）在普通数控铣床设备上对精加工基准面后的薄壁零件进行精加工；数控加工时采用亚高速切削方法对薄壁零件进行精加工；步骤5）对精加工后的薄壁零件进行真空热处理。该方法保证了减少加工误差，保证了加工精度并提高生产效率。

Description

一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法

技术领域

本发明涉及零件的加工领域，特别是一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法。

背景技术

随着武器装备向轻量化、智能化方向的发展，产品大量采用薄壁结构件，这类零件大都具有结构复杂、形状特异、薄壁（壁厚小于或等于3mm）、刚性差、精度要求高（垂直度0.005mm、同轴度Φ0.005mm）等特点。采用传统的加工方式，产生的切削力较大，加工应力使薄壁高精度零件产生较大的变形，导致最终生产出的产品很难达到设计要求。目前解决薄壁高精度零件的切削变形和减小加工误差的方法中，利用高速切削方法是重要手段。但高速切削的必备硬件较多，与传统数控机床相比高速切削机床在结构上必须具有较高的硬件配置、适应的刀具***和专用的加工程序等必备条件。如何解决薄壁高精度零件切削变形、减少加工误差，尤其是解决基于普通数控铣床设备上薄壁高精度零件切削变形、减少加工误差。通过对普通数控铣床设备加工薄壁高精度零件应力变形量的定量分析，借鉴高速切削方法原理，从中找出在普通数控铣床设备上加工该类零件有效的加工方法，为今后此类零件的加工提供重要的方法参考和依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法。该方是通过使用普通数控铣床设备和普通加工刀具，引用高速切削方法的理念，采用较高切削速度、较大进给量、较小吃刀深度进行分层加工的亚高速切削方法，以减小切削力、切削热和切削振动的产生，从而解决薄壁高精度零件切削变形，减少加工误差的产生，保证零件的加工精度并提高生产效率。

本发明的目的是这样实现的，一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：它包括如下步骤：

步骤1）薄壁零件粗加工，采用铣削方式粗加工薄壁零件，各面留加工余量0.5mm；

步骤2）热处理去加工应力，将步骤1）粗加工后的薄壁零件进行加热，加热温度为140±10℃、保温5～7h，空冷到室温；

步骤3）精加工基准面，将步骤2）热处理后的薄壁零件采用铣削及研磨方式加工基准面，保证与夹具接触的基准面平面度0.002mm，定位内孔基准面的垂直度0.01mm及尺寸Φ88+0.03+0.02；

步骤4）在普通数控铣床设备上对步骤3）精加工基准面后的薄壁零件进行精加工，保证薄壁零件的精度至IT6~IT7级；数控加工时采用亚高速切削方法对薄壁零件进行精加工。

步骤5）对步骤4）精加工后的薄壁零件进行真空热处理。

所述步骤1）的粗加工阶段，选择高速钢铣刀，直径Ф40mm，切削速度分别为25m/min～35m/min、进给量0.25mm/r、切削深度1mm～3mm。

所述步骤3）精加工基准面阶段，选择硬质合金端铣刀直径Φ14mm，切削速度600mm/min、进给量0.25mm/r、吃刀深度0.1mm～0.3mm。

所述步骤4）精加工阶段中，所采用亚高速切削方法是：选择YG类硬质合金刀具ISOK10～K20直径为Ф12mm、Ф8mm，加工时的转速为2500r/min～6000r/min，进给量为1000mm/min～3000mm/min，切削深度0.1mm～0.3mm，铣刀轴向切深≤3mm，数控时重复调用上述参数进行分层加工；

所述步骤5）真空热处理包括三个阶段：第一阶段是：升温到450°C，保温时间为2h，退火再结晶热处理，改善切削性能；第二阶段是：升温到300°C，保温时间为1h，时效处理，消除加工应力；第三阶段是：降温到-50°C，保温时间为1h，升温到90°C，保温时间为2h，消除加工应力并稳定加工尺寸。

所述步骤2）热处理去应力为人工时效。

本发明的有益效果是薄壁高精度零件在普通数控铣床设备上加工的加工方法。通过粗加工、人工时效、精加工及采用亚高速切削方法和真空热处理步骤解决了薄壁高精度零件加工变形的难题，采用该方法成功加工同轴度Φ0.005mm、平行度0.015mm、垂直度0.005mm、壁厚为3mm的薄壁高精度零件，满足了该类高精度零件的加工要求。

本发明的优点是：

1、本发明通过亚高速切削方法，突破了传统设备使用观念，设备使用转速普遍提高40%以上，设备功效得到极大提高，有效降低切削力、减小零件变形、刀具磨损少、使用寿命长、切削效率大大提高；通过分层加工实现了切削载荷恒定；适用范围广泛，无需价格昂贵的高速加工设备和高速刀具***。亚高速加工所使用的机床为一般数控机床，加工时的转速为2500r/min～6000r/min，进给量为1000mm/min～3000mm/min，大多数数控设备可以达到。

2、本发明降低了切削热、切削力和零件变形量。亚高速切削加工时，由于切削速度较高，切屑以很高的速度排出，带走了80％以上的切削热，传给工件的热量很少，减少了工件的内应力和热变形，提高加工精度。同时采用了真空热处理消除加工应力并稳定加工尺寸，使得加工后零件精度不发生变化。

3、提高生产效率、加工质量。亚高速切削加工使用较大的进给率，比常规切削加工提高3～5倍，单位时间材料切除率可提高2～4倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间减少，降低了切削工时，生产率大大提高。

4、简化了加工工艺流程。由于零件在加工时变形较小，减少了校平、设计专用工装、专用压板等工艺步骤，减少了倒压板等辅助装夹时间。

附图说明

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明限定：

图1是本发明薄壁零件采用铸铝合金薄壁框架零件的主视的剖视图；

图2是图1的俯视图；

图3是零件装夹的示意图；

图4是A向视图及定位示意图；

图5是加工平面的刀具路径；

图6是加工孔的刀具路径。

图中，1、铸铝合金薄壁框架零件；2、基准面D；3、压紧力；4、基准面A；5、圆弧进刀点；6、首铣半圆轨迹；7、铣另外半圆轨迹；8、圆弧退刀点；9、圆孔中心；10、平面退刀点；11、平面进刀点。

具体实施方式

实施例1

一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，包括如下步骤：

步骤1）薄壁零件粗加工，采用铣削方式粗加工薄壁零件，各面留加工余量0.5mm；

步骤2）热处理去加工应力，将步骤1）粗加工后的薄壁零件进行加热，加热温度为140±10℃、保温5～7h，空冷到室温；

步骤3）精加工基准面，将步骤2）热处理后的薄壁零件采用铣削及研磨方式加工基准面，保证与夹具接触的基准面平面度0.002mm，定位内孔基准面的垂直度0.01mm及尺寸Φ88+0.03+0.02；

步骤4）在普通数控铣床设备上对步骤3）精加工基准面后的薄壁零件进行精加工，保证薄壁零件的精度至IT6~IT7级；数控加工时采用亚高速切削方法对薄壁零件进行精加工；

步骤5）对步骤4）精加工后的薄壁零件进行真空热处理。

本发明的亚高速加工方法是通过使用普通的数控设备、普通加工刀具，采用较高切削速度、较大进给量、较小吃刀深度进行分层加工，以减小切削力、切削热和切削振动的产生，这样消除零件切削过程中刀具引起的震动，提高加工精度，避开了零件与机床的共振区域，避免了切削时的震动引起的零件变形。从而解决薄壁、板类零件变形，保证加工精度并提高生产效率的方法。

实施例2

一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，包括如下步骤：

步骤1）薄壁零件粗加工，采用铣削方式粗加工薄壁零件，各面留加工余量0.5mm；

粗加工时，选择高速钢铣刀，直径Ф40mm，切削速度分别为25m/min～35m/min、进给量0.25mm/r、切削深度1mm～3mm。

步骤2）热处理去加工应力，将步骤1）粗加工后的薄壁零件进行加热，加热温度为140±10℃、保温5～7h，空冷到室温；该热处理去应力为人工时效。

步骤3）精加工基准面，将步骤2）热处理后的薄壁零件采用铣削及研磨方式加工基准面，保证与夹具接触的基准面平面度0.002mm，定位内孔基准面的垂直度0.01mm及尺寸Φ88+0.03+0.02；精加工基准面时，选择硬质合金端铣刀直径Φ14mm，切削速度600mm/min、进给量0.25mm/r、吃刀深度0.1mm～0.3mm。

步骤4）在普通数控铣床设备上对步骤3）精加工基准面后的薄壁零件进行精加工，保证薄壁零件的精度至IT6~IT7级；数控加工时采用亚高速切削方法对薄壁零件进行精加工；

所采用亚高速切削方法是：选择YG类硬质合金刀具ISOK10～K20直径为Ф12mm、Ф8mm，加工时的转速为2500r/min～6000r/min，进给量为1000mm/min～3000mm/min，切削深度0.1mm～0.3mm，铣刀轴向切深≤3mm，数控时重复调用上述参数进行分层加工。

步骤5）对步骤4）精加工后的薄壁零件进行真空热处理。

所述的真空热处理包括三个阶段：第一阶段是：升温到450°C，保温时间为2h，退火再结晶热处理，改善切削性能；第二阶段是：升温到300°C，保温时间为1h，时效处理，消除加工应力；第三阶段是：降温到-50°C，保温时间为1h，升温到90°C，保温时间为2h，消除加工应力并稳定加工尺寸。

实施例3

如图1和图2所示，薄壁零件采用铸铝合金薄壁框架零件1；

步骤1）粗加工阶段：零件为铸件毛坯，材料为ZL104A。首先，粗加工划线，检查毛坯的加工余量，并划出零件加工粗基准线；其次，采用铣削方式粗加工零件，各面留加工余量0.5mm。由于此时零件的加工余量较大，采用的加工参数为直径Ф40mm高速钢杆铣刀、切削速度25m/min、进给量0.25mm/r、吃刀深度1mm～3mm。

步骤2）热处理去加工应力，将步骤1）粗加工后的薄壁零件进行加热，加热温度为140±10℃、保温5～7h，空冷到室温；

如图3、图4所示，步骤3）精加工基准面，采用铣削及研磨方式加工基准面A4、基准面D2，保证基准面D的平面度0.002mm，基准面A的垂直度0.01mm及尺寸Φ88+0.03+0.02。首先，半精铣与夹具接触的基准面，留加工余量0.05mm，保证平面度0.03mm；半精铣基准面A，保证尺寸Φ87.8+0.050，与D面的垂直度0.05mm；然后，研磨基准面D，保证平面度0.002mm；精铣基准面A，保证尺寸Φ88+0.03+0.02，与D面的垂直度0.01mm。刀具采用硬质合金端面铣刀，直径Ф14mm、切削速度600mm/min、进给量0.25mm/r、吃刀深度0.1mm～0.3mm。

步骤4）精加工零件的四个平面及平面上的孔，采用数控加工方式精加工薄壁高精度的四个平面及平面上的孔，保证零件的孔2-Ф9+0.0150和2-Ф14-0.07-0.10以及同轴度Ф0.005mm、平行度0.015mm、垂直度0.01mm、垂直度0.005mm的精度要求。数控加工时采用亚高速切削方法在普通数控铣床设备上、用TG类硬质合金刀具（ISOK10～K20）直径为Ф12mm、Ф8mm，加工时的转速为2500r/min～6000r/min，进给量为1000mm/min～3000mm/min，切削深度0.1mm～0.3mm，铣刀轴向切深≤3mm，数控时重复调用上述参数进行分层加工。

精加工零件的四个平面时，如图5所示，从平面进刀点11进刀按图中箭头的轨迹进行分层加工，最后从平面退刀点10退刀。

精加工零件平面上的孔时，如图6所示，以圆孔中心9为中心，从圆弧进刀点5进刀，按图中箭头的轨迹进行加工，首铣半圆轨迹6，然后铣另外半圆轨迹7进行分层加工，最后从圆弧退刀点8退刀。

由于该零件为铸铝材料，又是精加工工序，为了尽可能减少变形量，选用的吃刀深度非常小，加工平面时只有0.1mm，加工圆孔时只有0.05mm（单边）。采用这种加工方法，因为材料去除的少，切削应力也相应的小，应力释放所产生的变形也相应的小，而且由于加工中的切削力小，所需的压紧力3也可以放到最小，压紧变形也可以控制到最小，从而减少了零件的加工变形和保证了加工精度。

本发明不仅适用于铸铝材料，还适用于钢件及钛合金材料，加工TC4牌号钛合金材料工件，用PCBN或CBN类聚晶立方氮化硼刀具，选择直径为Ф16mm、Ф12mm，加工时的转速为5500r/min～8000r/min，进给量为800mm/min～1500mm/min，切削深度0.1mm～0.15mm，铣刀轴向切深≤1.5mm。

传统加工方法与亚高速加工方法的对比：

传统加工方法一般常采用大直径刀具、较低切削速度、较小进给量、较大吃刀深度来加工零件。由于吃刀深度大，铣削力大，工件变形也大。再加上薄壁、板类工件自身结构刚性差、抗变形能力差，故极易产生变形。

亚高速加工方法采用较小直径刀具、较高切削速度、微小吃刀深度、较大进给量、进行分层加工，微小吃刀深，铣削力小，从而解决薄壁、薄板类零件变形较大的难题，由于进给量大，生产效率也显著提高。表1为高速加工、亚高速加工、常规加工三种加工方法一般常用切削参数对比表，表2为常用硬件要求对比表。

表1三种加工方法一般常用切削参数对比表

表2三种加工方法常用硬件要求对比表

本发明与传统技术相比，增加了真空热处理的三个阶段能够保证消除变形同时，能稳定加工尺寸，使尺寸和形位公差达到要求。真空热处理三个阶段效果如下表3所示。

表3真空热处理的三个阶段效果

由表3所示可知一阶段真空热处理消除粗加工后的加工应力，改善切削性能，在真空炉里热处理，避免空气中O、N、H、C等元素侵入铝合金中，形成间隙式固溶体，使表面晶格严重扭曲，塑性降低，表面形成硬度高的硬层。二阶段真空热处理，获得好的工艺加工性及稳定加工尺寸和进一步消除加工应力。三阶段真空热处理稳定铝合金薄壁零件加工尺寸及获得好的使用性能。

本实施例没有详细叙述的结构或工艺步骤属本行业的公知部件或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (6)

1.一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：它包括如下步骤：

步骤1）薄壁零件粗加工，采用铣削方式粗加工薄壁零件，各面留加工余量0.5mm；

步骤2）热处理去加工应力，将步骤1）粗加工后的薄壁零件进行加热，加热温度为140±10℃、保温5～7h，空冷到室温；

步骤3）精加工基准面，将步骤2）热处理后的薄壁零件采用铣削及研磨方式加工基准面，保证与夹具接触的基准面平面度0.002mm，定位内孔基准面的垂直度0.01mm及尺寸Φ88+0.03+0.02；

步骤4）在普通数控铣床设备上对步骤3）精加工基准面后的薄壁零件进行精加工，保证薄壁零件的精度至IT6~IT7级；数控加工时采用亚高速切削方法对薄壁零件进行精加工；

步骤5）对步骤4）精加工后的薄壁零件进行真空热处理。

2.根据权利要求1所述的一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：所述步骤1）的粗加工阶段，选择高速钢铣刀，直径Ф40mm，切削速度分别为25m/min～35m/min、进给量0.25mm/r、切削深度1mm～3mm。

3.根据权利要求1所述的一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：所述步骤3）精加工基准面阶段，选择硬质合金端铣刀直径Φ14mm，切削速度600mm/min、进给量0.25mm/r、吃刀深度0.1mm～0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：所述步骤4）精加工阶段中，所采用亚高速切削方法是：选择YG类硬质合金刀具ISOK10～K20直径为Ф12mm、Ф8mm，加工时的转速为2500r/min～6000r/min，进给量为1000mm/min～3000mm/min，切削深度0.1mm～0.3mm，铣刀轴向切深≤3mm，数控时重复调用上述参数进行分层加工。

5.根据权利要求1所述的一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：所述步骤5）真空热处理包括三个阶段：第一阶段是：升温到450°C，保温时间为2h，退火再结晶热处理，改善切削性能；第二阶段是：升温到300°C，保温时间为1h，时效处理，消除加工应力；第三阶段是：降温到-50°C，保温时间为1h，升温到90°C，保温时间为2h，消除加工应力并稳定加工尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种利用普通数控铣床设备进行高精度薄壁零件的加工方法，其特征是：所述步骤2）热处理去应力为人工时效。