數(shù)控銑削加工技術(shù)的成組化與模塊化

■ 中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽(yáng) 441003）

金 鑫 方 衛(wèi)

現(xiàn)代數(shù)控制造技術(shù)正在從減料加工（切削去料）模式向增料成形（3D打?。┠Ｊ竭M(jìn)展，然而，這種制造技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，在金屬材料與非金屬材料的堆積技術(shù)、環(huán)境條件、成形精度、零件強(qiáng)度與硬度以及成形零件熱處理等方面還有待探究、完善。在航空機(jī)械制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的數(shù)控銑削加工技術(shù)仍處于主導(dǎo)地位。

1. 現(xiàn)狀和問題

作為減料加工模式的高級(jí)階段，數(shù)控銑削加工這種計(jì)算機(jī)輔助制造加工技術(shù)已經(jīng)不是什么新鮮門類了，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性的靈活特點(diǎn)是毋庸置疑的。然而，現(xiàn)有的制造模式生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)、工藝預(yù)案的綜合技術(shù)應(yīng)用處理難度較高等難題是令人非常關(guān)注的。如何才能夠使設(shè)備更好地發(fā)揮效能、揚(yáng)長(zhǎng)避短，切實(shí)達(dá)到解決實(shí)際加工生產(chǎn)問題的及時(shí)性和工藝方法的可靠性，從技術(shù)管理中深挖潛力，是必須解決的問題。

2. 解決問題的思路

雖然生產(chǎn)條件在變，但機(jī)械加工的基本原理沒有本質(zhì)變化，應(yīng)該說(shuō)，更需要生產(chǎn)技術(shù)、操作和管理人員實(shí)事求是地應(yīng)用、分析，從而使日新月異的技術(shù)運(yùn)用得到整合而規(guī)范化，使之不再是高不可攀的學(xué)術(shù)理論和試驗(yàn)室技術(shù)，而成為最貼近實(shí)際操作的方法。

目前經(jīng)常在專業(yè)電視節(jié)目或新聞報(bào)道中看到某型艦船、飛機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)、制造和改換裝技術(shù)，使各項(xiàng)運(yùn)營(yíng)周期大幅縮短，經(jīng)濟(jì)效益成倍增長(zhǎng)。反觀數(shù)控銑削加工，檢視大量加工實(shí)踐案例，我們面臨著實(shí)際加工條件與所要達(dá)到的設(shè)計(jì)工藝要求和生產(chǎn)交付節(jié)點(diǎn)有一定差距的問題。因此，專業(yè)整合相關(guān)技術(shù)方法，針對(duì)該重要環(huán)節(jié)討論技術(shù)的成組化和模塊化，使之能夠在單項(xiàng)技術(shù)上成組成套，實(shí)際運(yùn)用中以模塊方式靈活拆分、輕松組合，便于生產(chǎn)技術(shù)集約化應(yīng)用。

3. 可行性方案分析與說(shuō)明

下面圍繞零件加工的現(xiàn)有條件狀態(tài)而衍生的技術(shù)方法進(jìn)行探討。這里存在著兩個(gè)重要因素：零件與工藝方法。零件由毛坯形態(tài)、材料材質(zhì)、目標(biāo)形態(tài)及精度等描述；工藝方法以裝夾方式、加工切削方式及檢測(cè)方式等組成。

零件來(lái)料的毛坯形態(tài)常見的有圓盤體、圓柱體、矩形實(shí)體、平板體、規(guī)則組合體、不規(guī)則異形體及薄壁殼體等；材料材質(zhì)可分為非金屬（膠木、尼龍和復(fù)合材料）、鋁合金、鎂鋁合金、銅合金、低碳鋼、高碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鈦合金及耐高溫合金等；目標(biāo)形態(tài)通常有平面、斜面、單一規(guī)則曲面、復(fù)合曲面、二維內(nèi)外輪廓、通孔、盲孔、臺(tái)階孔、深孔、及相貫孔等；精度包含形狀精度、位置精度及表面粗糙度等。

圖1～6所示分別為圓盤體、圓柱體、矩形實(shí)體、規(guī)則組合體、不規(guī)則異形體及薄壁殼體。工藝方法中裝夾樣式有卡盤式、機(jī)用虎鉗、可拆解組合夾具及專用夾具等；切削加工則涵蓋刀具技術(shù)和走刀運(yùn)用技術(shù)，有鉆削、鉸削、鏜削、銑削和攻螺紋等，其中因零件不同的工藝要求可以分解出多種方式方法；檢測(cè)方法有通用量具直接檢測(cè)、間接換算檢測(cè)和高精度計(jì)量檢測(cè)，也可分為平行尺寸檢測(cè)、圓周尺寸檢測(cè)和非正交尺寸檢測(cè)等。

圖1 圓盤體

圖2 圓柱體

圖3 矩形實(shí)體

圖4 規(guī)則組合體

圖5 不規(guī)則異形體

圖6 薄壁殼體

圖7 所示為可拆解組合夾具與異形平板體，圖8所示為異形零件與拼裝組合夾具，圖9所示為專用夾具與異形毛坯。

通過觀察可得出以下各技術(shù)模塊關(guān)聯(lián)圖。

圖7 可拆解組合夾具與異形平板體

圖8 異形零件與拼裝組合夾具

圖9 專用夾具與異形毛坯

（1）夾具技術(shù)模塊圖：以零件毛坯的不同形狀為對(duì)象，分解出各種裝夾方式（見圖10）。

（2）加工技術(shù)模塊圖：因所加工的零件材質(zhì)、毛坯余量、目標(biāo)形態(tài)及精度而產(chǎn)生，形成刀具技術(shù)模塊（類別、制作、刃磨及選配）、切削加工運(yùn)用技術(shù)模塊（見圖11）。由圖11可以看出工藝加工技術(shù)與零件、刀具系統(tǒng)的基本關(guān)系，說(shuō)明了刀具技術(shù)模塊的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。附表所示為各個(gè)工藝加工技術(shù)模塊與零件常見工藝狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4. 實(shí)例剖析

圖表中所述較為粗略，仔細(xì)分析則可得更多應(yīng)用技術(shù)節(jié)點(diǎn)、內(nèi)容，如二維輪廓可分為外形輪廓與內(nèi)腔及槽型輪廓，孔系加工可分為全包圍孔系加工和開放式半包圍孔系加工技術(shù)，面加工中的擬合覆蓋技術(shù)與刀具選配高效加工技術(shù)等。在零件精度保持和高效加工雙重因素作用下，產(chǎn)生了現(xiàn)代先進(jìn)刀具制造與應(yīng)用技術(shù)。下面以典型零件為例加以說(shuō)明。

圖10 零件毛坯與夾具技術(shù)關(guān)系圖

圖11 零件毛坯與切削技術(shù)

毛坯狀態(tài)與工藝技術(shù)模塊對(duì)應(yīng)關(guān)系表

某典型火工零件（見圖12）有以下特點(diǎn)與加工難點(diǎn)：①節(jié)點(diǎn)緊。②批量大（8 000件）。③工藝質(zhì)量要求表面粗糙度值為3.2μm，6個(gè)φ11.0mm孔均布，6個(gè)φ4.0mm孔均布）。④材料為45鋼。⑤6個(gè)φ11.0mm孔、6個(gè)φ4.0mm孔為半邊余量。⑥裝夾次數(shù)多（8 000次），操作較慢。零件正、反面分別如圖12b、圖12c所示。零件工藝尺寸如圖13所示。

圖12 某火工零件

圖13 零件工藝圖

要想保證零件生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，得到可靠的控制，就應(yīng)采取如下加工工藝方案：①運(yùn)用定位技術(shù)，起到定位6個(gè)φ 11.0mm、6個(gè)φ 4.0m m孔的作用。②采用粗鉆技術(shù)，φ3.6～φ3.8mm鉆頭粗制6個(gè)φ 4.0mm底孔。由于有半邊余量，鉆頭在半邊切削的反作用力下偏擺，使孔成為橢圓，甚至超差。因此，要預(yù)留精加工余量。③運(yùn)用擴(kuò)孔及孔系修正技術(shù)，鍵槽銑刀φ 4.0mm擴(kuò)制6個(gè)φ 4.0mm孔。利用此類刀具底齒排屑好、善于制窩下刀以及徑向偏擺小等特點(diǎn)，修正小孔的直線度，并擴(kuò)孔至尺寸。④運(yùn)用刀具夾持選配技術(shù)，鉆頭φ 11.0mm直接制6個(gè)φ 11.0mm孔。其直徑較粗，相對(duì)剛性較好，為保證定位精度，用φ 1.5～φ 3.0m m定心鉆，預(yù)鉆定位孔。⑤綜合運(yùn)用刀具材質(zhì)技術(shù)和切削加工技術(shù)，刀具均采用HSS—Co材質(zhì)，刀具轉(zhuǎn)速n為400～1 000r/min，切削進(jìn)給速度F為60～100mm/min。⑥運(yùn)用圓形定位夾持技術(shù)，夾持方式為φ 120～φ 160mm三爪自定心卡盤，自制夾持襯套，避免三爪直接夾持夾傷零件外圓表面（見圖14）。

圖14 零件與夾具

為了縮短生產(chǎn)周期，保質(zhì)保量地完成本批任務(wù)，分析并采取了以下具體措施。

（1）零件材質(zhì)為45鋼，其切削性能尚可，可以取消定心鉆φ 1.5～φ 3.0mm和φ 3.6～φ 3.8mm鉆頭，這樣既減少了自動(dòng)換刀時(shí)間，又省去了這兩把刀具的切削運(yùn)行和刃磨換刀時(shí)間。

鉆頭φ 11.0m m磨制為三尖鉆，利用其直徑大、剛性好的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮三尖鉆的幾何外形功能，自動(dòng)定心，切削排屑順暢（見圖15）。

圖 15

制6個(gè)φ 4.0m m孔時(shí)，可以使用鍵槽銑刀φ 4.0 m m 或鉆頭φ 4.1mm，但底齒頂角2ψ 為130°～150°，主要是為了利于孔壁半邊余量的加工，使孔徑偏擺量極小。零件加工效果如圖16所示。

圖16 零件加工效果圖

（2）現(xiàn)有的裝夾方式看起來(lái)比較可靠，但均為一次裝夾只能夾持緊固單個(gè)零件，既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。經(jīng)過CAXA電子圖版作圖構(gòu)思，并考慮計(jì)算夾持力、夾具強(qiáng)度以及夾具制造效率，運(yùn)用仿形定位夾持技術(shù)制作了一套專用夾具（見圖17），可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾多個(gè)零件。

圖17 夾具圖

5. 模塊技術(shù)的信息化整合與共享開發(fā)之展望

正是由于零件毛坯各式各樣，功能設(shè)計(jì)需求與工藝要求越來(lái)越高，而給予生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的加工周期極其有限，在實(shí)際工作中需要我們總結(jié)已有的成熟技術(shù)，并靈活運(yùn)用，不斷創(chuàng)新，以滿足行業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展的需要，跟上時(shí)代的腳步。

因此，我們構(gòu)想建立一個(gè)機(jī)械加工數(shù)字化智能工藝系統(tǒng)軟件：①各種毛坯形態(tài)、材料、刀具、切削參數(shù)、裝夾定位及工藝要求等相關(guān)的成熟技術(shù)信息匯于其中，分成系列，對(duì)應(yīng)編碼。②不僅可以對(duì)于某單一型面加工提取調(diào)用專業(yè)工藝加工方案，可以針對(duì)一個(gè)零件自動(dòng)制定形成一套完整的成品加工工藝，還可以把材料與刀具、材質(zhì)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，以任一項(xiàng)條件輸入即可獲得相應(yīng)的適合的生產(chǎn)條件與切削方式等。③具有開放式后處理開發(fā)功能。④存檔錯(cuò)誤案例及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)說(shuō)明。

6. 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控銑削加工技術(shù)的成組化、模塊化分析與構(gòu)想是數(shù)控加工系統(tǒng)工程的“總工程師”，也是機(jī)械加工“應(yīng)用專家”，更是解決實(shí)際生產(chǎn)操作問題的“全科大夫”，必將成為數(shù)控加工技術(shù)信息共享的一個(gè)重要平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工無(wú)障礙處理技術(shù)之夢(mèng)想。只有不懈地進(jìn)行工藝的規(guī)范化、系統(tǒng)化，產(chǎn)品質(zhì)量、安全操作和高效生產(chǎn)才可能確保得到均衡控制，航空機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)才有可能得到穩(wěn)步推進(jìn)和發(fā)展。

[1] 李福生. 數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：北京出版社，1996.

[2] 王先逵. 機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 楊可楨. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，1989.

[4] 陳家坊. 最新金屬切削加工工藝實(shí)用手冊(cè)[M]. 上海：金盾出版社，2006.

[5] 陳宏鈞. 金屬切削常用標(biāo)準(zhǔn)工具手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.