大型薄板类零件铣削加工技术研究

张斌 巩丽 谢龙飞

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

大型薄板类零件刚性差、 易变形， 在铣削加工中， 其平面度控制难度大。 对于不同使用状态下的薄板件， 其自身扰度的不同对加工工艺方法的影响也存在显著不同。 在铣削加工中选取切实可行的工艺方法是保证大平面精度的关键要素。本文以某壁板为例， 就大型薄板件铣削加工的工艺方法及精度控制等进行研究。

1 结构特点及加工难点

某大型框架结构件， 外形13 500 mm×4 000 mm×200 mm， 属于薄板加工范畴。 该薄板件加工精度要求较高， 平面度要求控制在0.1 mm 以内，且表面粗糙度要求达到Ra1.6。

通过该工件尺寸特性和试加工可以看出， 其加工难度主要集中在以下两点：

（1）平面度0.1 mm 不易保证： 由于工件刚性差， 自身存在很大挠度， 由于加工状态和使用状态不一样， 加工后工件挠度影响较大。 另外， 加工面大， 铣削过程中存在较大的热变形， 加工后有接刀现象。

（2）粗糙度Ra1.6 很难保证： 由于该工件尺寸大、 厚度薄， 所以在铣削过程中千斤顶没有支撑到的部位， 工件产生振动致表面留下大量振纹，粗糙度不达标。

综上： 为保证某大型薄板件的平面度和粗糙度要求， 需要从降低工件挠度影响、 降低铣削振动对粗糙度的影响和降低铣削过程中的热变形等三个方面解决问题。

2 工件挠度控制技术

由于尺寸大、 厚度薄、 自身刚性差， 大型薄板件类工件在装夹过程中存在较大的挠曲变形，且对于不同状态下使用的工件， 常出现加工状态与使用状态下的大平面平面度不一致的现象。 为确保薄板类工件的大平面平面度， 对不同装夹状态下的挠度影响进行分析。

2.1 装夹方向与使用方向相同

这种情况多为该薄板作底板用途， 即精加工和使用时， 该大平面均向上放置。 由于此时工件的使用状态和加工状态一致， 故加工前后挠度基本没有变化， 所以加工方法较为简单， 在按照使用状态下的支点装夹固定工件后， 在大平面的中间段根据加工需要加辅助支点， 避免装夹变形即可。 实践证明： 该方式装夹铣面后， 工件加工面未出现弯曲现象。

2.2 装夹方向与使用方向相反

这种情况多为该薄板作顶板用途， 即精加工时， 大平面向上放置， 但使用时该面向下放置。由于加工状态和使用状态下的挠度方向刚好相反，挠度对薄板的最终成型公差影响较大， 因此在制定装夹方案是必须尽可能降低挠度的影响。

粗加工阶段， 工件毛坯表面高低不平， 工件的挠度值测量不准， 应采用一定工艺方法尽可能消除表面不平所带来的挠度干扰。

首先， 将薄板工件按加工面向下、 背部向上状态放置， 在背部打基准。 此时， 各基准间至两端存在不同的距离， 记为X1、X2、X3....。 同时，将毛坯高低不平带来的差值记为δ， 工件的理论挠度为f1， 见图1， 故有式（1）。

图1 加工面向下方式示意图

工件翻身， 使其加工面向上、 背部向下放置。用百分表记录此时各基准至两端的距离， 记为Y1、Y2、Y3....， 工件的理论挠度为f2，见式（2）和图2。

图2 加工面向上放置示意图

根据材料力学， 挠度值f计算见式（3）。

式中：q为均布载荷值；L为梁的长度；E为弹性模量；I为转动惯量。 由式（3）可知： 对于同一工件， 其q、L、E、I均相等。 因此， 该薄板工件翻身前后的挠度值相等， 即f1=f2。

以其中一个基准点X1和Y1为例，X1+Y1=（f1+δ）+（f2-δ）， 因f1=f2， 故f=1/2（X1+Y1）， 即工件的理论挠度值等于翻身前后各基准至两端距离之和的一半。

在工程实践中， 将薄板工件两端支撑， 分别测量并记录加工面向下时背部各基准至两端的距离X1、X2、X3....， 以及加工面向上时， 加工面各基准至两端的距离Y1、Y2、Y3....。 在薄板工件底部基准点部位支千斤顶并架设百分表， 将千斤顶向上顶， 直至百分表数值为（X1+Y1）、 （X2+Y2）、（X3+Y3）……的1/2， 即调整至最佳状态。

在薄板工件精加工状态时， 因加工面或背部面上各基准等高， 调整方法简化， 即：

（1）将工件按使用工位进行放置， 两端支撑，尽可能模拟工件的使用状态， 并在此基础上在工件背部铣多处基准面， 见图3。

图3 加工面向下加工示意图

（2）工件翻身， 将工件按加工状态放置， 即加工面向上， 见图4。 此时需在原背部各基准点附近增加千斤顶支撑， 按照上步打好的基准找水平，直至所有基准点都处于水平， 用塞尺检查支撑点与工件的接触， 接触不实的地方， 需采取措施压紧全接触。 按此方式调整完毕后， 铣削大平面。按此加工后， 整个加工面的平面度为0.08 mm， 满足设计要求。

图4 加工面向上加工示意图

3 铣削振动控制技术

在铣削加工过程中， 铣刀刀片会对工件施加较大的轴向力， 且该轴向力随着刀片着力点的变化而变化。 由于大型薄板件刚性差， 极易造成加工过程中的振动。 某大型壁板精铣时， 其大平面出现大量振纹。 经检查发现这些振纹出现的部位大多集中在大平面背部未放置千斤顶的区域。 为此， 增设支点减少加工振纹。 为避免增加支点对工件产生强制变形， 在增加支点时使用百分表对新增支点处进行监控， 确保新增支点处与大平面其余区域的平面度在0.05 mm 以内。 经实践， 使用上述措施后， 某大型壁板精铣时的振动现象大大改善， 振纹完全消除， 经检测表面粗糙度为Ra1.2， 满足Ra1.6 的设计要求。

4 热变形控制技术

大型薄板件尺寸大， 大平面铣削面积大， 刀盘铣削走刀时间长。 刀盘与工件大平面长时间摩擦受热后， 刀片易损伤， 且极易产生工件的热变形， 进而造成工件平面度超差。 某大型壁板在试加工后发现： 由于热变形的原因， 加工表面产生0.2～0.5 mm 的接刀台阶， 且精光刀片磨损严重。为此， 针对造成热变形的冷却不足、 刀片摩擦力过大等主要原因， 制定解决方案如下： （1）加大冷却液流量， 在铣削过程中始终加到最大； （2）及时更换冷却液， 减少由于冷却液长时间使用造成的失效影响； （3）减少摩擦受热： 将R 刀片换成尖刀片， 减少刀片切削时的阻力； （4） 改变切削参数：将刀盘转速从100 r/min 提高至400 r/min， 精加工的吃刀量由0.5 mm 降至0.2 mm， 采用高转速、 低吃刀量可以将发热的铁屑迅速带离工件， 从而实现降温的目的。 通过上述方案的实施， 工件加工区域附近温度明显降低， 接刀处痕迹检测仅为0.01 mm， 热变形造成的影响得以解决。

5 结束语

本文以某大型薄板件为研究对象， 从降低挠度影响、 振动影响以及控制热变形3 个方面提出了薄板铣削加工过程中平面度控制的有效工艺方案， 并经过实践可行性论证。 该工艺方法可以推广应用至类似大型薄板类工件的加工中。