薄壁圓形零件的工藝分析及編程加工

晉 康

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

合理地安排加工工序?qū)α慵募庸べ|(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，有效合理的工序不僅在保證零件加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上所用時(shí)間最短，更是突破零件加工難點(diǎn)的關(guān)鍵所在［1－2］。本文給定的薄壁圓形零件由于材料及結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)加工圓柱面上具有復(fù)雜輪廓的前后通孔時(shí)因?yàn)樽冃螌?dǎo)致零件報(bào)廢，且特殊的密封槽結(jié)構(gòu)難以通過(guò)常規(guī)手段進(jìn)行加工。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)對(duì)原有加工工藝的認(rèn)真分析，重新制定了合理的加工工藝，優(yōu)質(zhì)高效地完成了零件的加工。

1 薄壁圓形零件的工藝分析及工裝設(shè)計(jì)

薄壁圓形零件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。零件材料為鋁合金，毛坯尺寸為Φ42mm×42mm。圖1中未注尺寸公差控制在±0.05mm以內(nèi)，且加工完成后表面要求光滑平整無(wú)毛刺。

圖1 零件圖

分析零件圖紙及要求可以發(fā)現(xiàn)，該圓柱形薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）零件加工精度要求高，多處尺寸要求控制在一定的公差范圍內(nèi)。

（2）零件屬于薄壁零件，剛性差，加工過(guò)程中變形大，難以保證形位公差與加工質(zhì)量。

（3）零件下部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與上部圓同軸度要求較高，需設(shè)計(jì)特殊工裝防止多次裝夾帶來(lái)的同軸度誤差。

（4）圓柱面內(nèi)側(cè)密封槽結(jié)構(gòu)特殊，需采用多軸聯(lián)動(dòng)方式進(jìn)行加工。

綜合以上零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用五軸機(jī)床對(duì)其進(jìn)行加工。首先采用常規(guī)三軸加工策略完成粗加工及規(guī)則特征的加工，最后采用五軸曲線的加工方式完成密封槽這一特殊結(jié)構(gòu)的加工［3］。零件的工裝需加工者自行設(shè)計(jì)，工裝夾具為四方凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，在凸臺(tái)中心分步加工出4個(gè)螺紋孔，同時(shí)在零件毛坯上沿中心加工出4個(gè)螺紋孔，通過(guò)螺栓將零件毛坯固定在工裝上完成裝夾［4］。

2 薄壁圓形零件的加工工藝研究

2.1 零件各表面加工方案

零件使用鋁合金材料，采用圓柱形實(shí)心毛坯，數(shù)控加工工藝按粗加工、半精加工、精加工順序進(jìn)行編排。粗加工使用尺寸較大刀具快速去除余量加工出零件大致形狀，半精加工使用較小直徑刀具去除剩余余量，剩余適當(dāng)余量在精加工階段完成去除。精加工根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征采用不同刀具及工藝分區(qū)域加工，以保證加工表面質(zhì)量［5］。薄壁圓形零件加工工藝過(guò)程如表1所示。

表1 薄壁圓柱零件加工工藝過(guò)程

2.2 零件子工藝分析及數(shù)控編程

在對(duì)零件加工刀路編制前，需要將零件及夾具的造型文件導(dǎo)入到編程軟件中，同時(shí)選擇加工使用的機(jī)床型號(hào)、刀具，完成夾具及工件位置的正確擺放，以便完成刀路編制工作后使用軟件模擬加工過(guò)程，防止加工過(guò)程中有過(guò)切、碰撞等事故的發(fā)生［6］。

2.2.1 圓柱面頂面加工

零件毛坯安裝完成后，首先對(duì)頂面進(jìn)行粗、精加工，以保證零件頂面的加工質(zhì)量，其目的在于加工出精基準(zhǔn)，在反面加工時(shí)控制零件高度在公差要求范圍內(nèi)。粗、精加工使用同一把Φ6平底刀按不同切削參數(shù)完成。粗加工轉(zhuǎn)速為10 000r／min，進(jìn)給速度為3 000 mm／min；精加工轉(zhuǎn)速為12 000r／min，進(jìn)給速度為1 000mm／min。加工過(guò)程中開(kāi)啟切削液，以降低被加工表面粗糙度。圖2為零件頂面光整加工刀路。

圖2 零件頂面光整加工刀路

2.2.2 零件外輪廓加工

為滿足零件側(cè)面粗糙度及加工質(zhì)量的要求，需要利用平底刀分兩次對(duì)側(cè)面進(jìn)行加工。第一次控制加工深度為每層0.5mm，下刀角度為1°，側(cè)壁剩余余量為0.15 mm，粗加工轉(zhuǎn)速為10 000r／min，進(jìn)給速度為3 000 mm／min；精加工時(shí)控制加工深度為每層2mm，下刀角度為2°，為避免進(jìn)退刀時(shí)在加工表面上留下刀痕，應(yīng)設(shè)置進(jìn)退刀角度，精加工轉(zhuǎn)速為12 000r／min，進(jìn)給速度為1 000mm／min。圖3為零件外輪廓加工刀路。

2.2.3 頂部曲面加工

為保證曲面的加工質(zhì)量，需要使用球頭刀分3次進(jìn)行曲面精加工。首次曲面精加工采用Φ2球頭刀對(duì)加工域進(jìn)行加工，為提高加工效率，路徑間距為0.1mm，加工面剩余余量為0.1mm［7］，精加工轉(zhuǎn)速為12 000 r／min，進(jìn)給速度為2 000mm／min；第二次曲面精加工減小路徑間距至0.05mm，將余量進(jìn)一步加工至0.05 mm；最后一次曲面精加工調(diào)低路徑間距為0.01mm，將曲面加工至要求尺寸，加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速12 000r／min、進(jìn)給速度1 000mm／min。圖4為零件頂部曲面輪廓加工刀路。

圖3 零件外輪廓加工刀路

圖4 零件頂部曲面輪廓加工刀路

2.2.4 底部圓柱面加工

由于零件底部結(jié)構(gòu)外徑較頂部結(jié)構(gòu)小，采用常規(guī)的三軸加工刀路無(wú)法完成加工，故使用四軸旋轉(zhuǎn)加工方式對(duì)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，以保證零件上、下圓柱結(jié)構(gòu)的同軸度。首先利用Φ3平底刀對(duì)多余余量進(jìn)行分層粗加工，快速加工出基本輪廓，控制加工面?zhèn)缺谂c底部余量為0.1mm，加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速10 000r／min、進(jìn)給速度2 000mm／min；第二步使用旋轉(zhuǎn)精加工命令，利用Φ2球頭刀去除剩余余量，路徑間距設(shè)置為0.05mm，加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速10 000r／min、進(jìn)給速度1 000mm／min。底部圓柱面四軸旋轉(zhuǎn)加工刀路如圖5所示。

2.2.5 密封槽加工

密封槽是位于零件內(nèi)圓柱面上的槽，采用三軸及四軸刀路無(wú)法完成此結(jié)構(gòu)的加工，只能利用五軸曲線加工方式完成此特征結(jié)構(gòu)的加工［8］。為將密封槽加工至要求尺寸，加工過(guò)程分兩步進(jìn)行，首先利用Φ1.5球頭刀進(jìn)行密封槽開(kāi)粗，此刀路不設(shè)置加工余量，只利用刀具外形控制密封槽輪廓尺寸；第二步利用Φ2球頭刀使用五軸曲線加工將密封槽加工至要求尺寸，加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速12 000r／min、進(jìn)給速度1 000mm／min。密封槽五軸曲線加工刀路如圖6所示。

圖5 底部圓柱面四軸旋轉(zhuǎn)加工刀路

圖6 密封槽五軸曲線 加工刀路

3 結(jié)語(yǔ)

多軸機(jī)床的使用使得零件在一次裝夾下即可完成多種特征及曲面的加工，提升加工效率的同時(shí)保證了零件的尺寸及形位公差要求。由此可見(jiàn)，多軸機(jī)床的使用極大地提高了加工效率與制造質(zhì)量。