优化细化数控工艺  提高零件表面质量

赵丽君 ,张文文

摘要：表面质量的好坏是衡量制造企业加工能力的一个重要因素，同时对于零件的制造成本有着直接的关系。本文对影响产品表面质量的主要因素进行了分类，提出了通过工艺改善和优化细化程序来提高数控铣切零件表面的关键技术措施。

关键词： 表面质量

1引言

随着制造水平的发展和行业竞争的不断加剧，用户对产品的要求已不仅仅局限在功能方面，对表面的美观性也提高了要求。机械加工行业中，生产零件的表面质量已成为衡量机械加工企业水平的一个重要标志。

良好的机加零件表面质量，可以减少后续钳工的补加工工作量，对于降低工人劳动强度和降低制造成本有着非常重要的意义。钳工的打磨通常造成零件表面凹凸不平，这会大大降低零件的强度。如何提高数控加工零件的表面质量，早已经是企业关注和研究的一项重要技术。

2表面质量问题描述和分类

零件从设计到最终生产交付，会涉及诸多环节，只有准确查明产生问题的原因，并掌握相关的验收标准，才能做到具体问题具体对待，保证制定的措施确实可行。造成数控铣切后零件表面质量几何特征缺陷的主要原因是：

1)人为因素

a)零件设计工艺性差，存在工艺死角

许多年轻设计对现有的制造技术水平、设备性能的限制等因素了解较少，设计的部分零件工艺性差，存在工艺死角，造成钳工需要补加工的现象。

b)工艺流程和数控程序的编制没有细化，存在一定的缺陷。

由于经验不足，研制阶段工艺准备周期短，对零件某些特殊结构，程序编制不够细化，导致存在一定的缺陷。

c)加工过程中工人人为因素

工人作为操作人员，是整个生产的实施者，其技能水平、操作习惯、人为误差都会直接影响产品表面质量。

2)设备、工装、刀具等硬件因素

一些陈旧设备，因为附件磨损，主轴存在间隙，机床加工过程产生的震动量大；工装的刚性弱、刀具选型不合适导致加工系统中的振动，造成零件表面存在颤纹，这些都会影响零件的表面质量。

3)物理因素

铣切过程，随着材料的不断去除，其表面应力不断被破坏，内应力重新分布，会导致零件在加工过程产生的加工变形，过大的变形量直接影响表面质量。

铣削过程是断续切削过程，刀齿切入和切出工件的瞬间将产生冲击和振动，当振动频率和机床固有频率一致时，将产生共振，造成刀齿崩刃，甚至损坏机床零部件。

4)尺寸公差和重量公差不匹配

随着飞机性能、成本等设计要求的不断提高，越来越多的大尺寸、薄壁零件大量出现。薄壁零件的尺寸公差通常为尺寸的5~10%，作为重量验收标准的公差最大仅为2%，尺寸和重量的公差不匹配，最终的结果是部分零件尺寸合格，重量超重，为了满足双重标准，钳工不得不打磨排重。

3解决方案

1)加强工艺审查防患于未然，提高零件加工工艺性。

PDM管理模式是目前最为流行的产品研发管理模式，在产品设计初期，工艺就会全面介入，与设计进行沟通。在零件的设计和研制阶段，准确定义零件的需求，在保证功能的条件，充分考虑其工艺性，节约制造成本，提高产品的竞争力。做到提前发现问题，解决问题，防患于未然。

2)全面考虑工艺系统，提升工艺设计合理性。

工艺员负责把设计图纸转化为现场生产文件，是联系设计和操作工人的桥梁，工艺设计的合理性尤其重要。工艺员首先必须准确理解设计意图，熟悉可用的生产资源（设备行程、精度、工装刀具等）和现场工人的技能水平、操作习惯，综合考虑各种因素，才可能初步制定出一个较为合理的加工工艺，再经过试切验证，对工艺进行优化改进，最终才能形成一套相对稳定可靠的加工工艺。

零件粗加工阶段在变形量可控的前提下，我们通常更关注效率，零件的最终表面质量通常都是在精加工时形成，在精加工完成后最直接的目视结果就是零件表面质量。精加工时对工艺系统硬件的要求，主要考虑以下几点：

a)尽量选用功率较大、刚度较好的铣床。

现代高速铣床多采用少切屑快进给的铣切方式，很多时候粗铣与精铣之间只是切削体积的长度和宽度分配位置的区别，实际切削面积差不多，消耗的切削功率也近似，因此高速精铣要需要铣床具有较大的功率。

铣床导轨的直线度，各工作台之间的平行度、垂直度都要高于被加工零件的精度，机床主轴的轴向窜动和径向摆动都要求较高的要求，高速精铣要求设备有较高的刚性。

b)选用刚好性好的刀具，最好是整体式刀具。

刀具选型时，不但要考虑零件结构，同时必须考虑刀具的振动量，主要包括刀具旋转时不平衡所产生的离心力而因引发的振动和铣切中因受力而产生的刀具变形量。

为保证高速旋转状态下的刀具能够稳定旋转，目前采用两种办法：一是采用带有动平衡装置的刀具；另一种就是整体刀具。为了减少刀具变形量，一种办发是采用大直径短悬伸的刀具，另一种就是使用用抗震刀具。

c)提高工件系统刚性，减少铣切中的振动。

在加工过程中，工件系统的刚性非常重要，良好的刚性对保证几何尺寸、表面质量至关重要，也是整个工艺流程的顺利实施的保证。

工件的装夹应选择工件上刚性较好的部位，以防止工件因装夹而引起的变形，夹紧力要适当，对于刚性较弱部位通常可采用粗精余量分配、预留工艺台、增加辅助支撑等方法进行加强。

3)细化和优化数控程序，提高数控加工质量。

工艺员作为生产过程中技术的第一负责人，是联系设计、工装刀具、生产工人，甚至检验的一条线。通过工艺员工作的细化和优化，提高数控程序的质量和可执行性对消除和减少表面质量缺陷有非常重要的作用。

下面从工艺技术角度出发，如何通过程编细化和优化，提高表面质量，给出几个典型的解决方案。

a)避免切削过程中切削量突变造成的啃刀和窝刀。

在铣内形时经常在铣到底部时出现窝刀、啃刀现象，是因为底角处的余量相对较大，刀具在此处的切削量突然增大导致的。优先使用多轴侧面铣削策略。在用长刀具进行深槽腔加工时应尽量避免让刀具的底刃和侧刃同时切削工件，这种方法特别适用于内形闭角的零件。

b)顺逆铣造成的阶差

随着高速加工技术的广泛采用，小切削快进给是切削参数选择的指导思想。大量短切削刃刀具因其刚性好被广泛采用，在利用侧刃铣切时，通常会分为若干层，同时为了减少空刀，提高机床的利用率，往往采用来回铣切的方式。用于顺逆铣过程，切削力的方向不同，引起零件的微观变形不同，在加工表面会出现一定的阶差。

一般在加工时，分两个步骤，第一步去除余量，减少精加工时可能出现的让刀，第二步保证外形尺寸及表面质量。对于一些封闭的表面，选择单向铣或螺旋式走刀方式效果更佳，特别是螺旋式加工铣切更加平稳。

c)按设计要求控制闭角残留，满足验收标准。

对于一些大角度零件，在确保装配不干涉的前提下，设计会允许存在闭角残留，但对残留量的多少会有明确的定义。工艺员完全理解图纸和相关技术文件的要求，准确掌握设计的意图，将残留控制在工程图纸允许范围之内。

4)对操作工进行开工前培训，提前熟悉产品结构及注意事项。

操作工作为生产环节中最终的实施者，其技能水平、工作习惯最终的反映就是产品质量。为了促使操作工在生产前，提前熟悉产品结构、工艺流程、加工过程需要特别关注的因素，有必要在开工前对其进行培训。

4结束语

影响机加铣切零件表面质量的因素非常多，诸如结构限制、设计技术条件的不完善、数控加工程序缺陷、机床精度、刀具因素、工人的人为操作等。根据实际情况和拥有的硬件设施，选则合适的切入点，查找出相应的原因，制定对应的改进措施，做到有的放矢，不但可以提高表面质量，也可以缩短加工周期，减少制造成本，从而提高数控加工技术竞争力。

参考文献

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[2] 张世莹，用于高速铣削的刀具，产品与技术，2000．8：62—64

[3] 杨叔子，机械加工工艺师手册  机械工业出版社 2006 40-41，

[4] EPS刀柄系统  三高刀具手册18-18

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