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民機(jī)粱類典型零件的高效加工

2016-8-10 來源：沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司作者：蘇艷孫樹強(qiáng)

摘要：文章介紹了在航空工業(yè)中高速切削的大量應(yīng)用，當(dāng)前以高速加工技術(shù)為代表新的加工工藝已經(jīng)顯示很多的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力,成為航空制造技術(shù)提高加工效率和質(zhì)量、降低成本的主要途徑。高速加工不但可以成倍地提高生產(chǎn)效率，還可進(jìn)一步改善零件的加工精度和表面質(zhì)量，解決一些常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題。以具體實(shí)例出發(fā)從機(jī)床、刀具、材料、數(shù)控編程、仿真檢查等方面對高速加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：高速加工；變形控制；仿真檢查；高效加工

由于現(xiàn)代飛機(jī)高性能的要求，其結(jié)構(gòu)具有輕量化、薄壁化和整體化的特點(diǎn)，并且為滿足飛機(jī)裝配以骨架零件為定位基準(zhǔn)的要求，零件須實(shí)現(xiàn)精確加工，做到具有較高的精度和表面質(zhì)量。肋零件是飛機(jī)上非常重要的結(jié)構(gòu)件和受力件。肋零件由于其特殊的零件結(jié)構(gòu)及所使用的材料等原因，在加工中易產(chǎn)生較大變形，特別是需兩面加工的肋零件，數(shù)控精加工到位是非常困難的，高速加工則為肋零件的數(shù)控精加工提供了保證。

1、高速切削技術(shù)的概述

高速切削機(jī)床是高速切削發(fā)展的首要條件。其主軸要求有很高的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和加速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)有很高的靜、動剛度和優(yōu)良的力學(xué)性能。由于高速切削加工時存在離心力和振動的影響，對刀具的幾何精度、裝夾重復(fù)定位精度、剛度和高速動平衡的安全可靠性有較高要求。目前應(yīng)用較多的是HSK 高速刀柄和熱脹冷縮緊固式刀柄。合適的CAM 編程軟件在高速切削中也是至關(guān)重要的。

高速切削的優(yōu)點(diǎn)有：（1）隨切削速度提高，材料切除效率增加，大幅度提高加工效率，降低加工成本。（2）切削力減少，平均切削力可下降30%。這對降低高轉(zhuǎn)速主軸的功耗有明顯影響，并有利于低剛性和薄壁零件的加工。（3）高速切削采用小切深，大進(jìn)給，使加工表面質(zhì)量明顯提高。（4）高速切削90%以上切削熱隨切屑排出，加工工件的溫升小，有利于降低工件的熱變形和減小加工的殘留內(nèi)應(yīng)力。（5）從切削動力學(xué)分析，機(jī)床轉(zhuǎn)速提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床的低階固有頻率，這有利于降低加工表面粗糙度。（6）高速切削時，一般不使用切削液，有利于環(huán)境保護(hù)。

2、零件分析

為了更加合理有效地控制加工方案的全過程，在零件工藝準(zhǔn)備進(jìn)行之前必須進(jìn)行周密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧慵治觯业接绊懥慵庸さ年P(guān)鍵環(huán)節(jié)及難點(diǎn)所在。

2.1 零件典型結(jié)構(gòu)特征

（1）雙面肋零件。（2）零件一邊寬（最寬216mm）一邊窄（最窄127mm），容易產(chǎn)生側(cè)彎。（3）變角度外形（最大106.352°），一面外形為開角，另一面為閉角，且角度變化大。4）圖紙要求零件直邊外形平面度0.2mm。（5）該零件為關(guān)鍵件。

2.2 材料分析

零件材料為鋁合金擠壓型材，材料牌號：7B04 T6。該合金屬于高強(qiáng)度鋁合金，與其他結(jié)構(gòu)鋁合金相比具有最高的強(qiáng)度性能。在靜載荷下，T6 狀態(tài)的合金對應(yīng)力集中（孔）的敏感性較低，在小半徑彎曲或偏心拉伸條件下，截面過渡部位合金的靜強(qiáng)度下降。在厚度不大于75mm 情況下，力學(xué)性能：бb=510～590MPa；бp0.2=450～530MPa。

2.3 新工藝方案的分析與論證

零件整個加工過程中，合理的工藝流程設(shè)計(jì)是十分重要的一個環(huán)節(jié)。工藝流程設(shè)計(jì)主要從零件分析、加工過程分析、工裝（包括刀具和量具）分析入手。高速切削加工對切削刀具、切削用量、工藝方案、數(shù)控編程等方面提出了新的要求。新工藝方案的制定要充分體現(xiàn)數(shù)控高速加工的優(yōu)越性，最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要有：（1）控制變形；（2）申請專用工裝銑夾；（3）數(shù)控加工一次到位；（4）選擇非對稱編程加工零件；（5）數(shù)控加工程序優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)行時到達(dá)無人干預(yù)狀態(tài)；（6）提高零件加工效率。

2.3.1 機(jī)床選擇

選用Y2K811 高速銑。機(jī)床Y2K811 參數(shù)：雙主軸頭，雙控制機(jī)；控制系統(tǒng)：FIDIA C20；主軸最高轉(zhuǎn)速：28000r/min ；工作臺尺寸：10000mm ×2200mm；A/C 角，A:+95/-110，C: ±200；主軸功率：42kw/h。

2.3.2 工藝裝備的選擇

第一面夾具選用真空平臺。真空吸附的同時，在周圍適當(dāng)加壓壓板，以增強(qiáng)夾緊力。

真空吸附裝夾優(yōu)點(diǎn)有:（1）零件放置平穩(wěn)，裝夾后零件受力均勻。（2）方便零件找正。（3）真空吸附，有利于公差較小的薄壁腹板的尺寸保證。（4）裝卸迅速方便，可縮短輔助時間。（5）加工方便，零件加工區(qū)無障礙物限制加工過程。

第二面選用專用工裝進(jìn)行裝夾定位零件。

專用工裝裝夾優(yōu)點(diǎn)有：（1）專用工裝確定壓板位置和數(shù)量，規(guī)范加工步驟，提高零件加工效率。（2）減少零件數(shù)控加工為躲避壓板的空行程走刀。

2.3.3 刀具的選擇與參數(shù)確定

刀具是高速切削加工中最活躍的重要因素之一，在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，因此其硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等基本性能是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵。本例選擇適合K811 數(shù)控機(jī)床的高速銑刀。

刀具參數(shù)確定原則：（1）力與扭矩必須盡可能小；（2）小切深ap，中等進(jìn)給fz；（3）分層切削，高的進(jìn)給速度vf；（4）高的加工比例時間，少的非加工比例時間。

經(jīng)過上述綜合分析對比確定刀具參數(shù)如表1。

表1 加工用刀具參數(shù)

2.3.4 工藝流程設(shè)計(jì)

分析可看出，控制變形是加工此零件的難點(diǎn)，工藝流程設(shè)計(jì)應(yīng)將變形量控制到最低。

2.3.4.1 定位基準(zhǔn)和程序坐標(biāo)原點(diǎn)的選擇

零件第一面加工定位基準(zhǔn)為真空平臺面；數(shù)控程序原點(diǎn)選擇為毛料相鄰兩直角邊和毛料底面建立數(shù)控程序原點(diǎn)坐標(biāo)系。

圖1 零件第一面定位孔示意圖

零件第二面加工定位基準(zhǔn)選擇“二孔一面”。“二孔”零件兩個Φ12H12 基準(zhǔn)孔，“一面”零件底面。數(shù)控程序原點(diǎn)選擇：以基準(zhǔn)孔2的中心和兩基準(zhǔn)孔中心拉直線建立數(shù)控程序原點(diǎn)坐標(biāo)系。

圖2 第二面定位孔示意圖

2.3.4.2 工藝流程的主線

粗銑———校正———時效———半精銑———校正———時效———精銑。

在粗加工、半精加工、精加工后一定要安排校正工序，同時必須要給予充分的自然時效，這兩個環(huán)節(jié)必不可少，目的是消除其內(nèi)部大部分的殘余應(yīng)力，以利于后續(xù)加工。

2.3.4.3 加工中各環(huán)節(jié)的分析及加工過程中余量的分配

粗銑:粗銑直邊緣條和筋條內(nèi)外形，留2mm 余量。粗銑變角度緣條內(nèi)外形，留3mm 余量。

粗加工環(huán)節(jié)，零件從毛坯狀態(tài)過渡到初具雛形。此過程金屬去除率大，并因所使用材料的加工性能，會產(chǎn)生很大的殘余內(nèi)應(yīng)力，而殘余內(nèi)應(yīng)力是引起零件變形的根本原因。在大量去除切削余量時，要不對稱加工，以達(dá)到消除毛料內(nèi)應(yīng)力的作用。所以粗加工的編程方法很重要，合理的編程方法會減小零件的變形量。

半精銑：內(nèi)、外形均留1mm 余量，腹板到位。

安排半精銑工序，一是因?yàn)榱慵牧鲜卿X合金擠壓型材，加工性能亞于板材；二是因?yàn)榘刖娭兄饾u去除余量會逐漸減小零件的殘余內(nèi)應(yīng)力，對控制變形十分有利是非常有好處的。半精銑后留1mm 余量，主要是考慮到零件結(jié)構(gòu)一頭寬一頭窄，加工時容易產(chǎn)生側(cè)彎，校正很難消除零件側(cè)彎變形，需給精加工留有足夠的余量。精銑：緣條、筋條厚度到位。

精銑金屬去除率較低，主要任務(wù)就是保證零件外緣及壁厚。

2.4 數(shù)控程序的編制

前文提過高速銑削加工對數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高，這里采用CATIA 軟件，此軟件容量大、處理能力強(qiáng)。

高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性，其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命，最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命，為此采用了如下措施：

（1）采用順銑方式進(jìn)行分層銑削；

（2）路徑規(guī)劃，以及粗加工、半精加工、精加工的編程策略；

（3）避免刀具軌跡走刀方向的突然變化，保持刀具軌跡平穩(wěn)，避免突然加速或減速；

（4）下刀或行間過度部分采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；

（5）刀具軌跡編輯優(yōu)化，避免多余空刀；

（6）粗加工不是簡單的去除材料，要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻；

（7）在切削量大的地方，比如轉(zhuǎn)角前后，降低走刀速度，使加工平穩(wěn)，單位時間內(nèi)的切削量保持恒定（K811 數(shù)控機(jī)床本身具備轉(zhuǎn)角降速功能，這里無須設(shè)置。）；

（8）盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；

（9）程序分層、進(jìn)給速度、切削寬度、切削深度均嚴(yán)格按照刀具參數(shù)設(shè)定，另外為了避免轉(zhuǎn)角余量過大、余量不均勻特意增加半精銑清轉(zhuǎn)角程序，并將小刀修腹板殘留放在精銑內(nèi)形后面，防止產(chǎn)生干涉；

（10）程序開頭：①粗加工，加指令G302；②精加工，加指令G301或G304。

3、結(jié)論

高速加工技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大地促進(jìn)加工效率的提高和產(chǎn)品品質(zhì)的改善。目前數(shù)控加工廠高速加工技術(shù)主要用在壁板類零件的加工上，而型材、模鍛件和鑄件零件的高速加工技術(shù)還在探索之中。文章為粱類零件的高效加工增加了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 何永利.鋁合金高速切削表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(1).

[2] 賈秀杰.鋁合金高速銑削過程切屑成形機(jī)制研究[J].輕合金加工技術(shù),2009(7).

[3] 艾興. 高速切削加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003,10.

[4] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013,6.

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