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[摘 要]在薄壁零件数控加工工艺质量改进方法的探讨中，本文主要是提出了通过数控加工前期的预防性仿真的方法。这种方法包括：几何仿真方法、物理仿真方法。通过这两种方法的分析和探讨，设计减小工件变形的数控工艺过程。这过程中可以把工件作为弹性体，模拟实际加工中的工艺约束，建立工艺的模型。并且以某薄壁零件的数控加工，验证了通过预防性仿真改进工艺质量的有效性。
[关键词]工艺质量 数控加工 薄壁零件 变形 仿真
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0051-01
数控加工的过程可分：工艺设计、零件编程、在线加工和监控、检验处理等。加工中的工艺系统会受到加工变形、工件安装误差率、刀具位置偏斜率、刀具残缺磨损、受热变形等方面因素制约，从而不能保证加工的质量。对于薄壁零件，关键的问题就是容易变形。在当代的工艺中，主要是靠在线加工和监控、检验处理的两种阶段来采取被动性的方法。包括检测与补偿实时的误差，加工后可以利用手工来磨平，进行变形矫正工序等。前期工艺设计与编程阶段是提高加工质量的先决条件。利用CAE或仿真技术，结合工艺系统的几何特性和物理特性，进行模拟加工的实际过程，最后得出工艺方案或参数。
一、基于仿真的数控工艺质量改进结构
基于仿真的数控工艺质量改进包括四个过程：零件建模与工件建模；数控编程与几何仿真；工艺建模与物理仿真；工艺改进与优化。
（1）改进的方法：KU=F
公式中的K：工件的整体刚度矩阵，F：工件上的载荷列阵；U：工件上各节点的位移列阵。由这个公式可得，减小工件变形U的方法有：提高工件刚度矩阵和减小载荷F。假如和F是常量，也可以使变形量U降低，这些改进方法都能有效控制工件的变形。
（2）进给量局部调整
我们可以通过减少载荷F来减少进给量，同时有效地调整工件变形，促进加工的工作效率和保证加工的质量。在刚性非常好和变形不大的非关键区域选择较大的进给量，相反在刚性比较差和变形很大的关键区域选择比较小的进给量。
①首先是确定变形的关键区域。加工面的最大允许变形量，根据物理的仿真特点，进行变形后的分布图。等值线轮廓会分布在其边界形状的变形分布图中。
②确定边界点，边界点即是刀具路径与关键区域的集合点。对于直线路径，我们可以按照几何相交算法求得路径。对于曲线路径，因为在用专业软件CAM在生成刀位文件的时候，它会根据插补公差自动将路径离散为微小直线段。
③修改刀位文件。就是控制前后的两个进给量。结合前端可以得到的边界点，按照走刀顺序修改不同区域的进给量。由于边界点是新增加刀位的端点，所以直线的设定也是不同的。
（3）刀具路径修正
对于薄壁零件，由于过度的切削力引起工件变形较大，变形回弹量比较严重，为消除变形回弹引起的诸如直线度，平面度和轮廓度等加工误差。采取比较主动的刀具路径修正法，即生成刀具路径时事先考虑工件加工变形及其回弹量，通过修正或补偿刀具名义路径，从而减小或消除变形回弹误差。
（4）装夹方案改进
由公式KU=F可得，改变载荷F将会改变U，装夹方案相关的载荷涉及两方面：夹紧力的数目、位置、大小，支撑力数目、位置、大小。以上其中任何一个因素会引起工件变形的变化，因此必须装夹方案的改进措施。
①改变夹紧力的数目，将具有集中性的夹紧改为分布性的夹紧，使局部的变形降低，使夹紧变形率降低并使工件变形更加具有平衡性和均匀性。
②改变夹紧力，即是支撑力位置。我们可以把夹紧力结合刚性比较好的表面上，使支撑力在刚性比较差的表面上发挥作用。
③改变夹紧力的大小，在夹紧力、支撑力数目和位置都非常明确的情况下，应用最小的装夹力，提高工件装夹的稳定性和平衡性。
（5）工件结构的改进
由公式KU=F的条件可知，工件受力状况没有改变的条件下，载荷F也是恒定不变的数量，U会随着工件刚度矩阵K的改变而变化。最明确的方法是在工件上添加工艺凸台或者是增加强筋，使工件的刚性加强，工件的变形减弱。提高工艺质量的同时，可以采取多种多样的改进方法。
二、薄壁零件数控加工工艺质量改进方法中需要注意的问题
（1）加工变形控制是薄壁零件数控中不可或缺的关键环节，是加工质量重要的保证。在加工之前可利用仿真技术改进与优化数控工艺，降低变形的误差率。
（2）根据按数控工艺质量改进的过程范式，以及深入性地探索成本的根本规律，综合采用进给量局部调整、刀具路径修正、装夹方案改进和工件结构改进方法，这有利于控制加工的变形，提高工艺技巧的水平。
（3）对工件工艺模型进行物理仿真，能够使传统加工中得到创新性的改革，和使工艺方案更加具有完善性和开放性。实际加工时只采用优化工艺方案，可以有利于减少物理加工实验次数，从而很大程度上减少工艺质量成本，提高加工工艺的进度。
结束语：为了减少工艺的成本和提高工作的效率，依次采取进给量局部调整、刀具路径修正、改进装夹方案、改进毛坯结构工艺性等四种策略，使加工变形的误差率降低，快速提高工艺的质量。薄壁零件数控加工工艺质量改进方法中，注意控制加工变形、根据按数控工艺质量改进的过程范式、对工件工艺模型进行物理仿真，能够使传统加工中得到创新性的改革。
参考文献
[1] 张耀宸.机械加工工艺设计手册[M-北京；航空工业出版社、1987.471-475.
[2] Ieu Mc、rLuF、B[ackmore D.Simulation of NC machining with cutter deflection by modeling deformed swept rotswep volumes[J].Annals of the CIRP、1998，47{1}；44-446.
[3] Lim EM、Menq Chia-Hsiang Integrated planning for pre-cision machining ofcomplex surfaces-part1：cutting path and feed lateoptimization[J].Int JMach TooLs Manufact，1997，37（1）：61-75.
[4] Tsai JS，LiaoCL.Finite-element mndeIing of static Surf-face ertors in the peripheral milling of thin-walledword-pieces[J].of Materials Processing Technology，1999，94：235-246.
[关键词]工艺质量 数控加工 薄壁零件 变形 仿真
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0051-01
数控加工的过程可分：工艺设计、零件编程、在线加工和监控、检验处理等。加工中的工艺系统会受到加工变形、工件安装误差率、刀具位置偏斜率、刀具残缺磨损、受热变形等方面因素制约，从而不能保证加工的质量。对于薄壁零件，关键的问题就是容易变形。在当代的工艺中，主要是靠在线加工和监控、检验处理的两种阶段来采取被动性的方法。包括检测与补偿实时的误差，加工后可以利用手工来磨平，进行变形矫正工序等。前期工艺设计与编程阶段是提高加工质量的先决条件。利用CAE或仿真技术，结合工艺系统的几何特性和物理特性，进行模拟加工的实际过程，最后得出工艺方案或参数。
一、基于仿真的数控工艺质量改进结构
基于仿真的数控工艺质量改进包括四个过程：零件建模与工件建模；数控编程与几何仿真；工艺建模与物理仿真；工艺改进与优化。
（1）改进的方法：KU=F
公式中的K：工件的整体刚度矩阵，F：工件上的载荷列阵；U：工件上各节点的位移列阵。由这个公式可得，减小工件变形U的方法有：提高工件刚度矩阵和减小载荷F。假如和F是常量，也可以使变形量U降低，这些改进方法都能有效控制工件的变形。
（2）进给量局部调整
我们可以通过减少载荷F来减少进给量，同时有效地调整工件变形，促进加工的工作效率和保证加工的质量。在刚性非常好和变形不大的非关键区域选择较大的进给量，相反在刚性比较差和变形很大的关键区域选择比较小的进给量。
①首先是确定变形的关键区域。加工面的最大允许变形量，根据物理的仿真特点，进行变形后的分布图。等值线轮廓会分布在其边界形状的变形分布图中。
②确定边界点，边界点即是刀具路径与关键区域的集合点。对于直线路径，我们可以按照几何相交算法求得路径。对于曲线路径，因为在用专业软件CAM在生成刀位文件的时候，它会根据插补公差自动将路径离散为微小直线段。
③修改刀位文件。就是控制前后的两个进给量。结合前端可以得到的边界点，按照走刀顺序修改不同区域的进给量。由于边界点是新增加刀位的端点，所以直线的设定也是不同的。
（3）刀具路径修正
对于薄壁零件，由于过度的切削力引起工件变形较大，变形回弹量比较严重，为消除变形回弹引起的诸如直线度，平面度和轮廓度等加工误差。采取比较主动的刀具路径修正法，即生成刀具路径时事先考虑工件加工变形及其回弹量，通过修正或补偿刀具名义路径，从而减小或消除变形回弹误差。
（4）装夹方案改进
由公式KU=F可得，改变载荷F将会改变U，装夹方案相关的载荷涉及两方面：夹紧力的数目、位置、大小，支撑力数目、位置、大小。以上其中任何一个因素会引起工件变形的变化，因此必须装夹方案的改进措施。
①改变夹紧力的数目，将具有集中性的夹紧改为分布性的夹紧，使局部的变形降低，使夹紧变形率降低并使工件变形更加具有平衡性和均匀性。
②改变夹紧力，即是支撑力位置。我们可以把夹紧力结合刚性比较好的表面上，使支撑力在刚性比较差的表面上发挥作用。
③改变夹紧力的大小，在夹紧力、支撑力数目和位置都非常明确的情况下，应用最小的装夹力，提高工件装夹的稳定性和平衡性。
（5）工件结构的改进
由公式KU=F的条件可知，工件受力状况没有改变的条件下，载荷F也是恒定不变的数量，U会随着工件刚度矩阵K的改变而变化。最明确的方法是在工件上添加工艺凸台或者是增加强筋，使工件的刚性加强，工件的变形减弱。提高工艺质量的同时，可以采取多种多样的改进方法。
二、薄壁零件数控加工工艺质量改进方法中需要注意的问题
（1）加工变形控制是薄壁零件数控中不可或缺的关键环节，是加工质量重要的保证。在加工之前可利用仿真技术改进与优化数控工艺，降低变形的误差率。
（2）根据按数控工艺质量改进的过程范式，以及深入性地探索成本的根本规律，综合采用进给量局部调整、刀具路径修正、装夹方案改进和工件结构改进方法，这有利于控制加工的变形，提高工艺技巧的水平。
（3）对工件工艺模型进行物理仿真，能够使传统加工中得到创新性的改革，和使工艺方案更加具有完善性和开放性。实际加工时只采用优化工艺方案，可以有利于减少物理加工实验次数，从而很大程度上减少工艺质量成本，提高加工工艺的进度。
结束语：为了减少工艺的成本和提高工作的效率，依次采取进给量局部调整、刀具路径修正、改进装夹方案、改进毛坯结构工艺性等四种策略，使加工变形的误差率降低，快速提高工艺的质量。薄壁零件数控加工工艺质量改进方法中，注意控制加工变形、根据按数控工艺质量改进的过程范式、对工件工艺模型进行物理仿真，能够使传统加工中得到创新性的改革。
参考文献
[1] 张耀宸.机械加工工艺设计手册[M-北京；航空工业出版社、1987.471-475.
[2] Ieu Mc、rLuF、B[ackmore D.Simulation of NC machining with cutter deflection by modeling deformed swept rotswep volumes[J].Annals of the CIRP、1998，47{1}；44-446.
[3] Lim EM、Menq Chia-Hsiang Integrated planning for pre-cision machining ofcomplex surfaces-part1：cutting path and feed lateoptimization[J].Int JMach TooLs Manufact，1997，37（1）：61-75.
[4] Tsai JS，LiaoCL.Finite-element mndeIing of static Surf-face ertors in the peripheral milling of thin-walledword-pieces[J].of Materials Processing Technology，1999，94：235-246.