光學(xué)底座殼體的旋風(fēng)銑開粗技術(shù)的運(yùn)用

鮑磊，余雁波，朵叢

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

1 零件結(jié)構(gòu)分析

光學(xué)底座殼體屬于箱體型零件，是光學(xué)產(chǎn)品中比較精密、尺寸形狀位置精度要求較高的光機(jī)平臺產(chǎn)品之一，尺寸大小為210×140×86mm，側(cè)壁薄、型腔較深、側(cè)周身特征較多，孔位尺寸要求較高，需多次裝夾重復(fù)定位，二維工程圖及3D模型圖如圖1所示。

圖1 光機(jī)殼體平臺二維工程圖及3D模型圖

2 傳統(tǒng)工藝加工方案

產(chǎn)品型腔較深需要用等高法分層切削，粗加工時需要把所用缺口有孔的地方都進(jìn)行“開窗”方式加工，釋放完應(yīng)力，再進(jìn)行時效處理，最后留0．5mm至1mm均勻余量進(jìn)行精加工。

2.1 裝夾方案的確定

用精密平口虎鉗裝夾，側(cè)面部分特征的加工也在虎鉗上翻面裝夾完成，夾持毛坯底部10mm，高于鉗口76mm的加工區(qū)域進(jìn)行加工。

2.2 刀具的選擇

加工材料為2A12鋁合金，選擇φ20、φ16整體硬質(zhì)合金立銑刀。根據(jù)工件總的高度為76mm，需要加工的區(qū)域高度為71mm，選擇刀具總長度為120mm,切削刃長度為40mm。

2.3 切削參數(shù)的確定

根據(jù)2A12鋁合金硬鋁的特點(diǎn)及光學(xué)零件的外形條件，四周壁比較薄，高度比較高，運(yùn)用低轉(zhuǎn)速大吃深慢走刀的加工方式，會造成該零件嚴(yán)重變形，而且夾持深度只有10mm，極易產(chǎn)生振動現(xiàn)象，故選擇高轉(zhuǎn)速小吃深快走刀的快速分層切削加工方式，這樣極易釋放毛坯內(nèi)部的應(yīng)力。

根據(jù)銑削用量計(jì)算公式（1）、（2）、（3）進(jìn)行切削參數(shù)的確定，其中π取3．14，V為切削速度（m/min)，D為刀具直徑（mm)，N為主軸轉(zhuǎn)速，F(xiàn)為工作臺進(jìn)給（mm/min)，f為每齒進(jìn)給量（mm/tooth），Z為齒數(shù)。

選擇銑削速度Vc=250m/min，每齒進(jìn)給量Fz=0．25mm/z，確定切削參數(shù)如表1所示。

2.4 開粗策略的選擇

選擇計(jì)算機(jī)輔助編程CAM軟件，英國Delcam公司的Powermill2016軟件進(jìn)行編程，粗加工運(yùn)用模型區(qū)域清除策略中全部偏置區(qū)域清除策略來完成，理論加工時間為1小時24分。

2.5 數(shù)控加工設(shè)備的選擇

選擇VMC-1060加工中心進(jìn)行實(shí)際加工，該設(shè)備最高轉(zhuǎn)速8000r/min、最高進(jìn)給10m/min；系統(tǒng)為日本Fanuc 0i-MD控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作穩(wěn)定在數(shù)控設(shè)備中被廣泛運(yùn)用。

2.6 實(shí)際加工效果

選擇相應(yīng)的Fanuc后置處理生成G代碼導(dǎo)入到機(jī)床中實(shí)際加工出來的效果如圖2所示，開粗后的工件Z向形成了臺階狀，從開始加工到結(jié)束，一共2小時30分鐘，在加工過程中機(jī)床在遇到圓弧的時候加減速比較明顯，當(dāng)?shù)毒咔械?0深的時候，刀具在拐角的地方產(chǎn)生了振動發(fā)出尖銳的聲音，刀具磨損的地方主要集中在刀尖處，刀的刃帶處都處于完好狀態(tài)，刀具磨損情況如圖2所示。

表1 傳統(tǒng)工藝切削參數(shù)

圖2 傳統(tǒng)開粗實(shí)際加工圖及刀尖磨損情況

3 Vortex旋風(fēng)銑開粗工藝加工方案

3.1 裝夾方案的確定

平口虎鉗夾持毛坯底部10mm、露出鉗口76mm裝夾。

3.2 刀具的選擇

選擇φ20、φ16整體硬質(zhì)合金立銑刀，刀具伸出長度一樣，刀柄一樣均為BT40。

3.3 切削參數(shù)的確定

突出Vortex旋風(fēng)銑的特色，通過使用大于刀具直徑的切削深度，及可控的切入角來最大限度地提高金屬切削率。最終切削參數(shù)如表2所示。

表2 Vortex旋風(fēng)銑切削參數(shù)

3.4 機(jī)床MachineDNA的測試

利用MachineDNA捕捉單個機(jī)床的運(yùn)行特點(diǎn)和數(shù)據(jù)，通過使用機(jī)床的最佳進(jìn)給率而不是理論進(jìn)給率來提高加工效率。對于VCM1060 FANUC加工中心，首先在軟件中的MachineDNA插件創(chuàng)建一臺FANUC控制系統(tǒng)的仿真機(jī)床，設(shè)置該機(jī)床最大進(jìn)給率，并把PerformanceTest文件底下的五個測試程序拷貝到CF卡里，再拷貝到機(jī)床存儲器里面進(jìn)行運(yùn)行測試，最終把機(jī)床空運(yùn)行后的加減速數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Vortex策略中進(jìn)行編程的使用。

3.5 開粗策略的選擇

開粗刀路運(yùn)用Powermill2016軟件進(jìn)行編制，選擇模型區(qū)域清除——旋風(fēng)銑，根據(jù)實(shí)際情況選擇φ16的合金立銑刀行距2～3mm、下切步距20～25mm；φ20的合金立銑刀行距2～4mm、下切步距25～30mm；模型外形有的地方Z方向上并不是垂直結(jié)構(gòu)，而是由陡峭的曲面構(gòu)成，開粗刀路滿足最大程度去除余量的同時，還要盡可能的使加工后的模型外形接近實(shí)際模型輪廓，留下均勻的余量給精加工工序完成，所以在“臺階切削”這個選項(xiàng)中要設(shè)置合適的參數(shù)，“中間切削層”設(shè)置為1，代表每次Z向分層時以1mm的下切深度去逼近陡峭曲面區(qū)域，擴(kuò)展區(qū)域設(shè)置為0．6，保證陡峭區(qū)域與垂直區(qū)域的銜接有0．6的重疊，特別注意“接近”選項(xiàng)中的切入方式，選擇斜向螺旋，刀具斜向切入毛坯時的角度不能大于2～3度，對于比較硬的材料銑內(nèi)腔時可以先在下刀位置打預(yù)鉆孔，確保開粗時刀具Z向進(jìn)給都是在預(yù)鉆孔中下切的，這樣可以減少刀具底齒的沖擊，增加刀具壽命；Vortex所產(chǎn)生的刀路軌跡，理論加工時間為41分時56秒。

3.6 加工設(shè)備

選擇VMC-1060加工中心，系統(tǒng)為日本Fanuc 0i-MD控制系統(tǒng)。

3.7 實(shí)際加工效果

運(yùn)用Vortex旋風(fēng)銑開粗時選用的刀具為φ16整體硬質(zhì)合金立銑刀，切深達(dá)到25mm，下刀時分為毛坯外部進(jìn)刀和斜向螺旋下刀，斜向螺旋下刀主要針對內(nèi)腔的特征，進(jìn)刀時刀具Z向逐漸以2～3度的螺旋線先切入工件，實(shí)際加工過程中，切削聲音始終一致，只有在切深為47mm時，某幾處出現(xiàn)相對尖銳的下刀聲音，產(chǎn)生的切屑，為長條形針狀的，在遇到圓弧轉(zhuǎn)角的過程中沒有出現(xiàn)機(jī)床抖動及加減速過于明顯的情況，機(jī)床實(shí)際進(jìn)給值始終保持在給定值左右，用手放在機(jī)床面板上沒感覺出強(qiáng)烈的震動；刀尖處沒出現(xiàn)磨損，刀具刃帶處黑色涂層變?yōu)椴痪鶆虻慕饘倭凉鉂?，出現(xiàn)這種顏色是刀具高速旋轉(zhuǎn)過程中刃帶與工件切削時，從已加工面切入到待加工面產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象，屬于正常顏色，刀具溫度沒出現(xiàn)過高粘刀的現(xiàn)象；整個區(qū)域清除切削時進(jìn)給速度比較平穩(wěn)，速度幾乎沒有損失；對于加工零件，沒有出現(xiàn)集屑劃傷表面現(xiàn)象，通過檢測粗加工后各加工面預(yù)留余量均勻都有0．5mm余量，沒有出現(xiàn)變形現(xiàn)象。實(shí)際加工情況如圖3所示。

圖3 Vortex實(shí)際加工及切屑情況

4 常規(guī)粗加工策略與旋風(fēng)銑開粗策略對比分析

傳統(tǒng)高速開粗大部分屬于分層銑削，Z向吃刀量非常小，轉(zhuǎn)速快走刀快，很好的去除大量余量及帶走大量切屑熱；但存在一個缺點(diǎn)，刀具有效切削刃的利用率非常低，有效切削部位主要集中在刀尖上（每次Z向切削深度的長度），隨著切削時間的增加，刀尖很快就被磨損掉，但刀具側(cè)刃幾乎沒有什么損傷。

旋風(fēng)銑開粗屬于大吃深，一次Z向切深可以達(dá)到刀具直徑的2倍以上，開粗時以螺旋進(jìn)刀的方式或是外部進(jìn)刀的方式，刀具先下切到Z向深度，開始以擺線形式的刀具軌跡進(jìn)行加工，加工過程中始終保證刀具和工件的最小包角，圓弧過度的區(qū)域加入了擺線式的軌跡不會產(chǎn)生過載造成刀具損壞，切削過程中機(jī)床不會出現(xiàn)頻繁加減速現(xiàn)象。

刀具接觸角度受力均勻?qū)τ趥鹘y(tǒng)粗加工刀路，超過90%的刀具路徑有最佳的切削角度，余下的10%取決于設(shè)定的切削參數(shù)，且超過90%的刀具路徑加工效率低下。對于Vortex加工刀路，沒有紅色區(qū)域，整條刀具路徑不會超過最佳切削角度，整條刀具路徑都是直線切削參數(shù)。工件表面質(zhì)量方面，運(yùn)用傳統(tǒng)粗加工后的工件，在一些側(cè)壁表面出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象、有許多小臺階組成的紋路、小的圓弧狹窄過度區(qū)域出現(xiàn)震紋、底部刀紋切寬大大小小不均勻；運(yùn)用Vortex加工后的工件、側(cè)壁處都是統(tǒng)一深度的長紋路、等于每次下切的深度、并不是由小臺階夠成的，狹窄區(qū)域沒有出現(xiàn)震紋、底部紋路行距均勻切寬都是統(tǒng)一長度、各加工表面所留余量均勻都有0．5mm，未發(fā)現(xiàn)過啃刀情況，尺寸都達(dá)到粗加工所需預(yù)留余量的要求。

5 旋風(fēng)銑開粗推廣意義

通過實(shí)際加工證明，Vortex旋風(fēng)銑比傳統(tǒng)粗加工具有明顯的優(yōu)勢，因此Vortex高效開粗方法可以逐漸推廣到今后的實(shí)際生產(chǎn)中使用，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從切削工藝提高加工效率。

對于老的數(shù)控系統(tǒng)，可以通過測試出其機(jī)床特有的MachineDNA數(shù)據(jù)，獲得機(jī)床特有的加減速特性，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Vortex旋風(fēng)銑策略中，充分發(fā)揮出數(shù)控設(shè)備的性能，提高加工效率；再次，在航空航天、光學(xué)軍品等需要大量去處多余材料的工件及難加工材料（如鈦合金、不銹鋼、高溫合金）方面，采用Vortex策略，切削深度可以達(dá)到刀具直徑2倍，可有效提高刀具側(cè)刃的利用率，相同的情況下加工效率相對傳統(tǒng)分層加工工藝可以提高40%～60%。

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