零件上彎管特征的加工探索

韓俊峰，楊保成，唐 靜，宋翔宇

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000；2.德陽(yáng)市重型機(jī)械備件廠，四川 德陽(yáng) 618000）

0　引言

整體化的結(jié)構(gòu)既可提高零件的可靠性，又能達(dá)到零件減重、減級(jí)、增效的目標(biāo)，同時(shí)還能滿足零件維護(hù)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)的需求[1]。故越來(lái)越多利用空氣動(dòng)力學(xué)原理的零件提出了整體化、結(jié)構(gòu)化、輕量化等設(shè)計(jì)特性。即原來(lái)由組裝形成的空氣動(dòng)力學(xué)要求的封閉彎曲型腔結(jié)構(gòu)（即彎管特征），現(xiàn)需要通過(guò)切削加工來(lái)形成（例如葉柵、機(jī)匣、葉環(huán)、噴嘴管子等零件見(jiàn)圖1）。彎管特征的切削加工給機(jī)械加工帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。如何解決此特征在加工過(guò)程中刀具費(fèi)用高、加工效率低、設(shè)備占用量大以及如何提升加工的品質(zhì)等是各個(gè)工程師努力的方向。本文在此進(jìn)行了一些積極的探索。

圖1　部分帶有彎管特征的零件

1　加工分析

如圖1所示，零件上彎管特征其橫截面為近似的圓形，但又不是標(biāo)準(zhǔn)的圓，其形狀的引導(dǎo)線為彎曲的曲線，而非直線。故常規(guī)的車削、鉆削、鏜削等工藝方法無(wú)法完成特征的加工。銑削加工雖然可以完成，但過(guò)程中刀軸的控制要求比較高。此外為提高產(chǎn)品的性能和可靠性，大量的難加工材料（如不銹鋼、鈦合金、高溫合金等）被應(yīng)用于特征的制造用材料[2]，給切削加工帶來(lái)了加工難度。其次彎管特征的管壁多為薄壁，切削變形、顫振等對(duì)特征的高精度、高表面質(zhì)量要求帶來(lái)了不利因素。綜合結(jié)構(gòu)、材料、工藝系統(tǒng)等方面，彎管特征的加工難點(diǎn)突出表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）特征的形狀結(jié)構(gòu)特異，存在彎曲的倒扣曲面，加工時(shí)刀具刀軸的位姿不易確定，易發(fā)生刀具與結(jié)構(gòu)干涉、易發(fā)生過(guò)切、欠切等現(xiàn)象；

（2）材料的為難加工材料，切削難度大，刀具磨損嚴(yán)重；

（3）受彎管結(jié)構(gòu)的限制，粗加工時(shí)需在封閉區(qū)域進(jìn)行下刀，下刀難度大，刀具刀尖易損壞；

（4）彎管的薄壁在加工時(shí)易產(chǎn)生受力變形，特征的尺寸精度不易控制；

（5）特征的加工質(zhì)量要求高，若彎管四周的曲面若分面單獨(dú)加工，在曲面交界處會(huì)因接刀痕而影響特征的尺寸精度及表面質(zhì)量；

（6）特征兩兩曲面之間的過(guò)渡圓弧半徑較小，清根加工時(shí)刀具直徑、切削進(jìn)給受限，加工效率低；并且易發(fā)生因刀具剛性不足而引發(fā)的顫動(dòng)，影響加工質(zhì)量。

2　加工探索

2.1　開(kāi)粗加工

開(kāi)粗加工目的是去除多余的金屬材料，但因彎管特征的結(jié)構(gòu)特殊及材料特殊，開(kāi)粗加工變得十分困難，可使用一下方法輔助加工，以降低加工難度，提高加工效率。①較小尺寸的彎管特征，因尺寸小導(dǎo)致加工時(shí)下刀和排屑都十分困難，刀具磨損快，對(duì)此可借產(chǎn)品的形狀，在不發(fā)生過(guò)切的情況下，先在特征的內(nèi)部預(yù)先鉆出一個(gè)下刀和排屑的預(yù)孔，以便于后續(xù)加工的下刀和排屑（見(jiàn)圖2）；②較大尺寸的彎管特征，為提高加工效率以及節(jié)約加工設(shè)備成本，可使用相比來(lái)說(shuō)功率大，剛性好的三軸數(shù)控銑進(jìn)行開(kāi)粗加工，減少多軸設(shè)備的占機(jī)時(shí)間，降低加工成本（見(jiàn)圖3）；③部分零件的單個(gè)的彎管特征，為節(jié)約刀具成本可考慮使用線切割進(jìn)行開(kāi)粗加工，節(jié)約開(kāi)粗的刀具成本（見(jiàn)圖 4）。

圖2　鉆預(yù)孔

圖3　三軸開(kāi)粗

圖4　線切割加工開(kāi)粗

2.2　半精加工

半精加工的作用是去除開(kāi)粗未能加工的部位，為精加工提供均勻、合適的加工余量，經(jīng)過(guò)半精加工后，零件的加工余量比較均勻、余量大小比較合適，精加工切削過(guò)程穩(wěn)定，加工質(zhì)量高。為了提高加工效率，保證工藝系統(tǒng)的剛性，半精加工的多軸機(jī)床建議盡可能使用其定軸功能（即3+2模式）來(lái)進(jìn)行加工。例如：①通過(guò)擺動(dòng)刀軸（3+2模式）加工開(kāi)粗時(shí)未能加工到的倒扣的結(jié)構(gòu)部分（見(jiàn)圖5）；②對(duì)兩兩曲面的過(guò)渡圓角進(jìn)行預(yù)先清根加工（見(jiàn)圖6）。

圖5　半精加工倒扣

圖6　圓角的清根

2.3　精加工的設(shè)計(jì)

因彎管特征為封閉、彎曲的腔體，加工時(shí)刀具的干涉大，刀具刀軸位姿計(jì)算復(fù)雜；又因腔體四周曲面若分開(kāi)加工，則在面與面的交界出會(huì)產(chǎn)生接刀痕跡。故彎管特征精加工的編程極為復(fù)雜，精加工編程建議借助于 mastercam、cimatron、powermill、hypermill等先進(jìn)CADCAM軟件的管道模塊（見(jiàn)圖7）來(lái)完成，基于特征三維模型，模塊中計(jì)算機(jī)可根據(jù)彎管特征的曲面自動(dòng)計(jì)算合適的刀具刀軸，并優(yōu)先一次性完成特征四周曲面的精加工刀具軌跡（見(jiàn)圖8），以達(dá)到高效、高質(zhì)量的加工需求。

圖7　某CAD/CAM軟件的管道模塊

圖8　一次性完成加工的精加工刀具刀軌

此外精加工時(shí)，針對(duì)彎管特征因薄壁結(jié)構(gòu)受力易變形的問(wèn)題，可在特征內(nèi)部填充一些容易去除的特殊物質(zhì)（如橡皮泥、快干膠等材料），以增大壁厚，提高剛度，減少、阻止切削變形，提高加工精度。并且在條件具備的情況下推薦采用高速切削加工來(lái)完成特征的精加工，以減小切削力，達(dá)到減小變形的目的。

2.4　加工刀具的選擇

切削加工中，常見(jiàn)的刀具磨損有兩種形態(tài)：①機(jī)械作用出現(xiàn)的磨損，如崩刃或磨粒磨損等；②熱及化學(xué)作用出現(xiàn)的磨損，如粘結(jié)、擴(kuò)散、腐蝕磨損以及切削刃軟化、溶融而產(chǎn)生的破斷、熱疲憊、熱龜裂等等[3]。

彎管特征所用的材料多為難加工材料，切削加工時(shí)，存在許多促使刀具磨損的因素。所以必須慎重選擇刀具材料及類型。雖然金剛石、CBN（立方氮化硼）等材料的高溫硬度是現(xiàn)有刀具材料中最高的，最適合于難加工材料的切削加工，但其價(jià)格比較昂貴，成本過(guò)高，導(dǎo)致應(yīng)用不廣泛。而新型涂層硬質(zhì)合金，以超細(xì)晶粒合金作基體，選用高溫硬度良好的涂層材料進(jìn)行表面多層涂層處理[4]，其具有優(yōu)異的刀具性能，價(jià)格又比較親民，是首選的刀具材料之一。

刀具的結(jié)構(gòu)形式有：整體式、焊接式、可轉(zhuǎn)位刀片以及新近研發(fā)的快換刀頭等等形式[5]，彎管特征加工時(shí)刀具的結(jié)構(gòu)形式選擇可參考以下幾點(diǎn)：①粗加工時(shí)推薦使用可轉(zhuǎn)位立銑刀，并且因下刀在封閉區(qū)域進(jìn)行，比較困難，建議刀具的刀尖帶有一定的小圓角，以提高刀具刀尖的強(qiáng)度；②半精加工時(shí)建議采用裝刀片的可轉(zhuǎn)位牛鼻銑刀或快換刀頭的結(jié)構(gòu)形式，刀具更換快，加工效率高；③精加工時(shí)，編程采用CAM軟件的專業(yè)模塊，因受到軟件所支持刀具類型的限制[6]以及加工要素為曲面，需選用球頭刀具，但為了提高刀具的強(qiáng)度，建議使用帶錐度形式的球頭銑刀。

3　結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明采用上述的使用線切割、三軸開(kāi)粗；定軸半精加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)進(jìn)行精加工；通過(guò)填充物質(zhì)解決加工變形；選用涂層硬質(zhì)合金刀具材料以及使用牛鼻刀、錐度刀等結(jié)構(gòu)形式提高刀具使用壽命和增強(qiáng)刀具剛性等措施，對(duì)于彎管特征的加工取得了良好的加工效果和經(jīng)濟(jì)效益。上述的探索對(duì)于后續(xù)加工彎管特征有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡曉群.復(fù)合加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2011（19）：48-50.

[2]程耀男.航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工技術(shù)與刀具應(yīng)用分析[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，19（3）：110-116.

[3]韓春霞.難加工金屬材料的切削加工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016（14）：31-32.

[4]鄭文虎.刀具材料和刀具的選用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[5]山特公司.SANDV主樣本2014[M].北京：山特維克可樂(lè)滿中國(guó)有限公司，2014.

[6]馬志國(guó).Mastercam 2017數(shù)控加工編程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.