張斌 鞏麗 謝龍飛

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

大型薄板類零件剛性差、 易變形， 在銑削加工中， 其平面度控制難度大。 對(duì)于不同使用狀態(tài)下的薄板件， 其自身擾度的不同對(duì)加工工藝方法的影響也存在顯著不同。 在銑削加工中選取切實(shí)可行的工藝方法是保證大平面精度的關(guān)鍵要素。本文以某壁板為例， 就大型薄板件銑削加工的工藝方法及精度控制等進(jìn)行研究。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

某大型框架結(jié)構(gòu)件， 外形13 500 mm×4 000 mm×200 mm， 屬于薄板加工范疇。 該薄板件加工精度要求較高， 平面度要求控制在0.1 mm 以內(nèi)，且表面粗糙度要求達(dá)到Ra1.6。

通過(guò)該工件尺寸特性和試加工可以看出， 其加工難度主要集中在以下兩點(diǎn)：

（1）平面度0.1 mm 不易保證： 由于工件剛性差， 自身存在很大撓度， 由于加工狀態(tài)和使用狀態(tài)不一樣， 加工后工件撓度影響較大。 另外， 加工面大， 銑削過(guò)程中存在較大的熱變形， 加工后有接刀現(xiàn)象。

（2）粗糙度Ra1.6 很難保證： 由于該工件尺寸大、 厚度薄， 所以在銑削過(guò)程中千斤頂沒(méi)有支撐到的部位， 工件產(chǎn)生振動(dòng)致表面留下大量振紋，粗糙度不達(dá)標(biāo)。

綜上： 為保證某大型薄板件的平面度和粗糙度要求， 需要從降低工件撓度影響、 降低銑削振動(dòng)對(duì)粗糙度的影響和降低銑削過(guò)程中的熱變形等三個(gè)方面解決問(wèn)題。

2 工件撓度控制技術(shù)

由于尺寸大、 厚度薄、 自身剛性差， 大型薄板件類工件在裝夾過(guò)程中存在較大的撓曲變形，且對(duì)于不同狀態(tài)下使用的工件， 常出現(xiàn)加工狀態(tài)與使用狀態(tài)下的大平面平面度不一致的現(xiàn)象。 為確保薄板類工件的大平面平面度， 對(duì)不同裝夾狀態(tài)下的撓度影響進(jìn)行分析。

2.1 裝夾方向與使用方向相同

這種情況多為該薄板作底板用途， 即精加工和使用時(shí)， 該大平面均向上放置。 由于此時(shí)工件的使用狀態(tài)和加工狀態(tài)一致， 故加工前后撓度基本沒(méi)有變化， 所以加工方法較為簡(jiǎn)單， 在按照使用狀態(tài)下的支點(diǎn)裝夾固定工件后， 在大平面的中間段根據(jù)加工需要加輔助支點(diǎn)， 避免裝夾變形即可。 實(shí)踐證明： 該方式裝夾銑面后， 工件加工面未出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。

2.2 裝夾方向與使用方向相反

這種情況多為該薄板作頂板用途， 即精加工時(shí)， 大平面向上放置， 但使用時(shí)該面向下放置。由于加工狀態(tài)和使用狀態(tài)下的撓度方向剛好相反，撓度對(duì)薄板的最終成型公差影響較大， 因此在制定裝夾方案是必須盡可能降低撓度的影響。

粗加工階段， 工件毛坯表面高低不平， 工件的撓度值測(cè)量不準(zhǔn)， 應(yīng)采用一定工藝方法盡可能消除表面不平所帶來(lái)的撓度干擾。

首先， 將薄板工件按加工面向下、 背部向上狀態(tài)放置， 在背部打基準(zhǔn)。 此時(shí)， 各基準(zhǔn)間至兩端存在不同的距離， 記為X1、X2、X3....。 同時(shí)，將毛坯高低不平帶來(lái)的差值記為δ， 工件的理論撓度為f1， 見(jiàn)圖1， 故有式（1）。

圖1 加工面向下方式示意圖

工件翻身， 使其加工面向上、 背部向下放置。用百分表記錄此時(shí)各基準(zhǔn)至兩端的距離， 記為Y1、Y2、Y3....， 工件的理論撓度為f2，見(jiàn)式（2）和圖2。

圖2 加工面向上放置示意圖

根據(jù)材料力學(xué)， 撓度值f計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中：q為均布載荷值；L為梁的長(zhǎng)度；E為彈性模量；I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 由式（3）可知： 對(duì)于同一工件， 其q、L、E、I均相等。 因此， 該薄板工件翻身前后的撓度值相等， 即f1=f2。

以其中一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)X1和Y1為例，X1+Y1=（f1+δ）+（f2-δ）， 因f1=f2， 故f=1/2（X1+Y1）， 即工件的理論撓度值等于翻身前后各基準(zhǔn)至兩端距離之和的一半。

在工程實(shí)踐中， 將薄板工件兩端支撐， 分別測(cè)量并記錄加工面向下時(shí)背部各基準(zhǔn)至兩端的距離X1、X2、X3....， 以及加工面向上時(shí)， 加工面各基準(zhǔn)至兩端的距離Y1、Y2、Y3....。 在薄板工件底部基準(zhǔn)點(diǎn)部位支千斤頂并架設(shè)百分表， 將千斤頂向上頂， 直至百分表數(shù)值為（X1+Y1）、 （X2+Y2）、（X3+Y3）……的1/2， 即調(diào)整至最佳狀態(tài)。

在薄板工件精加工狀態(tài)時(shí)， 因加工面或背部面上各基準(zhǔn)等高， 調(diào)整方法簡(jiǎn)化， 即：

（1）將工件按使用工位進(jìn)行放置， 兩端支撐，盡可能模擬工件的使用狀態(tài)， 并在此基礎(chǔ)上在工件背部銑多處基準(zhǔn)面， 見(jiàn)圖3。

圖3 加工面向下加工示意圖

（2）工件翻身， 將工件按加工狀態(tài)放置， 即加工面向上， 見(jiàn)圖4。 此時(shí)需在原背部各基準(zhǔn)點(diǎn)附近增加千斤頂支撐， 按照上步打好的基準(zhǔn)找水平，直至所有基準(zhǔn)點(diǎn)都處于水平， 用塞尺檢查支撐點(diǎn)與工件的接觸， 接觸不實(shí)的地方， 需采取措施壓緊全接觸。 按此方式調(diào)整完畢后， 銑削大平面。按此加工后， 整個(gè)加工面的平面度為0.08 mm， 滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 加工面向上加工示意圖

3 銑削振動(dòng)控制技術(shù)

在銑削加工過(guò)程中， 銑刀刀片會(huì)對(duì)工件施加較大的軸向力， 且該軸向力隨著刀片著力點(diǎn)的變化而變化。 由于大型薄板件剛性差， 極易造成加工過(guò)程中的振動(dòng)。 某大型壁板精銑時(shí)， 其大平面出現(xiàn)大量振紋。 經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)這些振紋出現(xiàn)的部位大多集中在大平面背部未放置千斤頂?shù)膮^(qū)域。 為此， 增設(shè)支點(diǎn)減少加工振紋。 為避免增加支點(diǎn)對(duì)工件產(chǎn)生強(qiáng)制變形， 在增加支點(diǎn)時(shí)使用百分表對(duì)新增支點(diǎn)處進(jìn)行監(jiān)控， 確保新增支點(diǎn)處與大平面其余區(qū)域的平面度在0.05 mm 以內(nèi)。 經(jīng)實(shí)踐， 使用上述措施后， 某大型壁板精銑時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象大大改善， 振紋完全消除， 經(jīng)檢測(cè)表面粗糙度為Ra1.2， 滿足Ra1.6 的設(shè)計(jì)要求。

4 熱變形控制技術(shù)

大型薄板件尺寸大， 大平面銑削面積大， 刀盤銑削走刀時(shí)間長(zhǎng)。 刀盤與工件大平面長(zhǎng)時(shí)間摩擦受熱后， 刀片易損傷， 且極易產(chǎn)生工件的熱變形， 進(jìn)而造成工件平面度超差。 某大型壁板在試加工后發(fā)現(xiàn)： 由于熱變形的原因， 加工表面產(chǎn)生0.2～0.5 mm 的接刀臺(tái)階， 且精光刀片磨損嚴(yán)重。為此， 針對(duì)造成熱變形的冷卻不足、 刀片摩擦力過(guò)大等主要原因， 制定解決方案如下： （1）加大冷卻液流量， 在銑削過(guò)程中始終加到最大； （2）及時(shí)更換冷卻液， 減少由于冷卻液長(zhǎng)時(shí)間使用造成的失效影響； （3）減少摩擦受熱： 將R 刀片換成尖刀片， 減少刀片切削時(shí)的阻力； （4） 改變切削參數(shù)：將刀盤轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min 提高至400 r/min， 精加工的吃刀量由0.5 mm 降至0.2 mm， 采用高轉(zhuǎn)速、 低吃刀量可以將發(fā)熱的鐵屑迅速帶離工件， 從而實(shí)現(xiàn)降溫的目的。 通過(guò)上述方案的實(shí)施， 工件加工區(qū)域附近溫度明顯降低， 接刀處痕跡檢測(cè)僅為0.01 mm， 熱變形造成的影響得以解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某大型薄板件為研究對(duì)象， 從降低撓度影響、 振動(dòng)影響以及控制熱變形3 個(gè)方面提出了薄板銑削加工過(guò)程中平面度控制的有效工藝方案， 并經(jīng)過(guò)實(shí)踐可行性論證。 該工藝方法可以推廣應(yīng)用至類似大型薄板類工件的加工中。