SolidCAM中iMachining模块在薄壁零件加工中的应用研究
材料科学和结构工艺学的飞速发展，薄壁零件由于具有高强度、重量轻、结构紧凑、高承载性等特点，越来越广泛地应用在航空航天、汽车、国防等工业领域。尤其是在要求自身重量低，強度高、刚度大的航空航天工业中，薄壁零件得到了很好的应用。[1]
当前，薄壁零件正在向零件壁厚小尺寸化、零件整体大尺寸化和复杂化的方向发展。但薄壁零件结构复杂、刚性差，加工过程中很容易出现变形的情况，这就使传统的机械加工方法很难保证其加工精度。[2]
从已有的研究资料来看，影响薄壁零件加工精度的因素主要有：工件材料特性、结构特性、毛坯初始残余应力、切削力和切削热、装夹因素及加工路径等。[3]其中切削力过大是导致加工工艺系统变形、刀具磨损、加工精度和加工质量的重要原因，因此降低加工切削力可以作为减少加工变形和提高加工精度的优化策略。[4]
目前薄壁零件的加工方法很多，如传统的铣削、车削、飞切，磨削、抛光，以及旋压、压铸，混合加工成形等等，每种加工方法都对应着不同类型的薄壁件的制造与应用。[5]SolidCAM作为制造业中普遍使用的计算机辅助制造软件，可以提供多种不同的加工编程模块，广泛应用于制造业、电子、医疗、消费品、机床设计、汽车和航空航天工业中。其中的iMachining模块是SolidCAM公司新研发的一种高效加工策略，它可以实现大切深、大进给加工，并且可以实现动态调整，使机床连续运动。iMachining不仅可以缩短生产周期，而且可以缩短单个工序的加工时间，同时延长刀具的使用寿命，提高加工的经济效益。[6]
本文利用SolidCAM中的iMachining模块对预先设计好的薄壁零件进行加工编程和后处理，并且用台湾友佳VMP-23A型立式加工中心进行实际的加工，用三坐标测量仪对零件的各项参数进行测量，并与传统加工方法加工的零件在加工时间、尺寸误差、表面加工质量方面进行比较，提出一种新的薄壁零件加工方法，有效解决了薄壁零件在加工过程中的变形问题。
1 薄壁件特点和加工难点分析
1.1 薄壁件结构分析
如图1所示，薄壁件由内外两个三分之二的圆筒以及底座部分组成。其中底座部分直径40mm，高度15mm。外面的大圆外径D1为38mm，里面的小圆直径D2为21mm，壁厚δ均为0.5mm，高度为10mm。工件材料选用6061硬质铝合金，外径与厚度之比分别是D1/δ=76，D2/δ=42，属于典型薄壁件，具有一定的薄壁件代表性，且内外两个圆都不是完整的圆，这给薄壁件的加工带来了一定的难度。使用Solidworks软件对薄壁件进行实体建模，其结构特点表明此工件属于典型的薄壁件，且用传统的车削加工无法完成，基于此我们选择数控铣削进行加工。
1.2 工件加工难点分析
薄壁件的加工变形受很多的因素影响，主要包括切削参数与切削方式，刀具（如刀具材料、刚度、几何参数等）、机床本身（如机床刚度、加工精度等）、冷却条件、切削过程中的振动以及其它随机因素等都会对零件变形和表面质量产生一定的影响。[7]
概括起来主要包括：零件的材料和结构、加工选用刀具、装夹方式、切削力、残余应力等几个方面。实验中，主要加工难点在于壁厚小，且开口有边缘，在加工过程中易变形，材料去除率高。
2 工艺分析与加工
针对上述加工难点，在设计薄壁零件时要综合考慮各方面的影响因素，尽量避免对加工效果产生不利的影响。首先将薄壁部分设计在零件上半部分，加工时只需用三抓卡盘夹住底座部分，避免装夹方面对加工的影响。机床选择台湾友佳VMP-23A型FANUC系统三轴立式加工中心。综合考虑加工效率和切削力的影响，经过计算，刀具选择直径为4mm的三刃硬质合金端铣刀。[8]结合实际加工过程以及参考文献得知，薄壁零件的加工不同于普通零件的加工，主要表现在普通零件的加工工序分为粗加工、半精加工、精加工。[9]而薄壁零件由于结构的特殊性，要求在加工过程中尽量减少相应的工序。如果按照普通零件的工序进行加工，在精加工阶段侧壁所留的余量较少，在最后精加工的走刀过程中，刀具和零件极易产生共振而导致零件有大的变形。大量的加工实验也验证了这一点，变形最严重的地方主要集中在零件的边缘处。
因此我们提出了针对薄壁零件的一次加工成型方法，其中主要加工参数见表1，机床主轴转速S都设为5000r/min，XY方向进给速度F设为300mm/min。普通加工是利用分层轮廓铣削加工，单次切削深度为1mm，铣削量为1.4mm，铣削10次。iMachining加工切削深度可达10mm，铣削量为0.37mm，可以充分利用刀具的侧刃进行切削。两种加工方法都是在SolidCAM模块中进行编程并后处理生成G代码，最后在加工中心上进行加工，用普通机冷却液作为冷却介质。
3 零件的测量与误差分析
图2为薄壁零件成品图，从外观来看，两种加工方法基本都没有变形，边缘倒圆角细节表现较好，与实体建模图基本一致。但iMachining加工底面效果明显优于普通加工，从零件成品中的刀纹可看出刀具轨迹，与SolidCAM中模拟的刀具轨迹图是一致的。表2为测量的薄壁零件各项参数，其中大圆直径D1、小圆直径D2、同轴度（两个零件都是以大圆为基准，测量内部小圆的同轴度）是用雷顿三坐标测量机测量的，表面粗糙度值Ra用德国马尔M400便携式粗糙度仪测量。从表中可看出两种加工方法的外形尺寸误差均较小，iMachining加工的误差相对更小，分别达到了-0.0262和-0.0212。同轴度同样也是iMachining加工的零件要比普通加工的要好。粗糙度值方面，两种加工方法都较低，分别达到了0.522μm和0.334μm，iMachining加工的零件表面粗糙度值更小。
4 结 论
薄壁件已被广泛应用于国防、汽车、航空航天等领域，但是由于薄壁零件形状结构复杂、刚度相对较低、材料去除率高、加工工艺性差、加工过程中易变形等问题而被认为是机械加工中的难题。本文针对薄壁零件在数控加工中易变形的特点，利用SolidCAM软件中的iMachining模块对加工进行编程模拟加工后处理，提出一种新的薄壁零件加工方法。经过与普通的分层铣削加工进行对比，零件在外形尺寸、同轴度和表面粗糙度方面都表现地更好。
在同等的加工条件下iMachining加工的薄壁零件表面质量高，加工用时更少。
参考文献：
[1] 周勇.航空薄壁件加工动态特性及控制 [J].工具技术，2016，50（1）：82-86.
[2] 高翔，王勇.薄壁零件精密数控铣削关键技术研究 [J].机床与液压，2009，37（9）：14-17.
[3] 叶建友，吕彦明，徐看，等.薄壁件铣削变形及补偿技术研究 [J].制造技术与机床，2014（3）：17-20.
[4] 李洋.薄壁零件的加工振动分析与加工工艺优化对策 [J].企业技术开发月刊，2016，35（21）：10-11.
[5] 廖玉松，韩江.铝合金薄壁件铣削加工精度控制研究 [J].组合机床与自动化加工技术，2015（5）：113-117.
[6] 徐卫东，沈俊英，季刚，等.智能、高效SolidCAM iMachining解决方案 [J].航空制造技术，2013，421（1）：152-153.
[7] 廖剑斌，苏茜.分析薄壁零件数控加工工艺质量改进方法 [J].科技创新与应用，2017（6）：133-134.
[8] 董玉梅，闫晔，赵勤德.基于加工特征的刀具选择 [J].制造业自动化，2013，35（14）：150-153.
[9] 石广丰，王景梅，宋林森，等.薄壁零件的制造工艺研究现状 [J].长春理工大学学报（自然科学版），2012，35（1）：68-72.