蜘蛛網(wǎng)格工藝在薄壁腔體加工中的應(yīng)用

□ 高石磊

中電科儀器儀表有限公司 山東青島 266555

1 腔體介紹

某薄壁腔體結(jié)構(gòu)經(jīng)過簡化處理后,正反面三維圖如圖1所示。

▲圖1 薄壁腔體三維圖

這一薄壁腔體尺寸較大,側(cè)面及底面壁較薄,最薄處壁厚均小于1 mm,平面度要求為0.08 mm,表面粗糙度Ra要求為1.6 μm,屬于典型薄壁腔體。這一薄壁腔體還存在一個(gè)較大的開口,開口上有寬度較窄、厚度較薄的三條筋。薄壁腔體材料為鋁合金。

2 加工難點(diǎn)分析

(1) 薄壁腔體的側(cè)壁與底面壁較薄,加工強(qiáng)度低,在加工過程中容易產(chǎn)生變形及振動(dòng),精度不容易得到保證[1]。

(2) 薄壁腔體剛性差,在切削力和夾緊力的作用下,容易產(chǎn)生較大的彈性變形[2],需要設(shè)計(jì)合適有效的裝夾工裝。

(3) 薄壁腔體具有較大的開口結(jié)構(gòu),對內(nèi)應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響,變形尤其嚴(yán)重。三條薄筋在加工時(shí)容易產(chǎn)生振紋,導(dǎo)致壁厚不均勻,精度超差,甚至可能無法成形。

3 工裝設(shè)計(jì)

薄壁腔體正反面中間材料去除率較高,凹腔面積大,底面壁較薄,在加工過程中產(chǎn)生的切削力對底面精度的影響較大,若不采取有效的裝夾措施,則很難保證腔體底面的設(shè)計(jì)尺寸。

根據(jù)薄壁腔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了一種基礎(chǔ)板夾具,如圖2所示。采用一面兩孔的定位方案[3],通過薄壁腔體上的銷釘孔定位,采用M4螺釘固定。同時(shí)在薄壁腔體底面增加六個(gè)均布的φ10 mm工藝圓柱支撐,待薄壁腔體全部加工完成以后,再銑削掉增加的工藝圓柱。

▲圖2 基礎(chǔ)板夾具

4 工藝流程設(shè)計(jì)

薄壁腔體下料為板料,采用精密虎鉗裝夾。粗加工薄壁腔體正反面,薄壁腔體外形及內(nèi)腔表面留1 mm精加工余量。采用熱處理退火,消除粗加工產(chǎn)生的應(yīng)力,使材料晶粒重新均布穩(wěn)定[4]。應(yīng)用筆者設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)板夾具裝夾,加工蜘蛛網(wǎng)格及工藝圓柱,再精加工薄壁腔體的正面及反面,最后精加工側(cè)面。待薄壁腔體全部成形之后,銑削掉蜘蛛網(wǎng)格及工藝圓柱。薄壁腔體加工工藝流程如圖3所示。

▲圖3 薄壁腔體加工工藝流程

5 蜘蛛網(wǎng)格工藝設(shè)計(jì)

加工未封閉的大開口結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)用薄壁腔體自身的三條薄筋,加工縱橫交叉的蜘蛛網(wǎng)格,提高三條薄筋加工的強(qiáng)度。待薄壁腔體全部成形后,再銑削掉蜘蛛網(wǎng)格。

蜘蛛網(wǎng)格工藝效果如圖4所示。

▲圖4 蜘蛛網(wǎng)格工藝效果

6 設(shè)備選用

根據(jù)薄壁腔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求,加工設(shè)備選用三軸高速加工中心,優(yōu)點(diǎn)如下:

(1) 高速加工中心具有較高的銑削速度、較小的徑向和軸向銑削深度,銑削力較小[5];

(2) 高速加工時(shí),大量銑削熱可以被切屑帶走,薄壁腔體表面溫度較低,熱變形較小;

(3) 銑削速度快,切削力小[6],表面質(zhì)量較好,有較高的穩(wěn)定性,可以高質(zhì)量地加工出薄壁腔體。

7 刀具選擇

由于薄壁腔體材料為鋁合金,切削去除量大,因此刀具選用大螺旋角設(shè)計(jì)的整體螺旋刃銑刀[7],提高排屑流暢性,可以防止鋁屑與刀具粘結(jié)。刀具選擇及對應(yīng)切削參數(shù)見表1。

表1 刀具選擇及對應(yīng)切削參數(shù)

8 加工編程要點(diǎn)

高速加工的數(shù)控編程具有一定的特殊性,在下刀方式、進(jìn)給方式、刀具路徑等方面都和普通數(shù)控加工有很大區(qū)別。高速加工編程需要注意以下幾個(gè)方面:

(1) 采用分層銑削;

(2) 避免切削速度急劇變化,在進(jìn)給方向變化較大的位置加入圓弧過渡,類似于形成賽車線[8],使切削平穩(wěn);

(3) 減小銑削負(fù)荷的變化,特別注意在粗加工時(shí)不是簡單地去除材料,而是要盡量控制使精加工余量均勻;

(4) 切入和切出盡量采用切向進(jìn)刀[9],刀具切入材料時(shí)盡可能采用連續(xù)折線軌跡,避免刀具豎直進(jìn)刀;

(5) 由于高速切削刀具轉(zhuǎn)速較快,編程必須考慮高速加工刀具及夾持的幾何結(jié)構(gòu),避免刀具、夾持部位與薄壁腔體發(fā)生干涉或碰撞,確保運(yùn)行安全。

連續(xù)折線軌跡如圖5所示。

▲圖5 連續(xù)折線軌跡

9 加工三維仿真

在加工程序編制完畢,正式加工之前,必須進(jìn)行三維實(shí)體仿真驗(yàn)證。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助軟件來生成刀具軌跡、數(shù)控程序代碼,進(jìn)行加工前的仿真[10]。通過仿真與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,對可能存在的欠切、過切及干涉等問題進(jìn)行驗(yàn)證與檢測,確認(rèn)加工程序的正確性和安全性,以及加工是否符合圖紙的要求,避免由于程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床碰撞或刀具折斷等情況發(fā)生。仿真時(shí)可以設(shè)置不同的顏色,進(jìn)而顯示出更加明顯的加工效果。

10 三維仿真結(jié)果

采用三軸高速加工中心加工薄壁腔體的三維仿真結(jié)果如圖6所示。加工仿真結(jié)果確認(rèn),所采用的加工工藝能夠達(dá)到薄壁腔體圖紙的設(shè)計(jì)要求。

▲圖6 薄壁腔體加工三維仿真結(jié)果

11 結(jié)束語

對薄壁腔體進(jìn)行加工時(shí),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析制訂合理的工藝方案。在薄壁腔體的加工過程中,筆者制訂了合理的加工方法和工藝流程,對薄壁腔體的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)板夾具。針對較難成形的開口結(jié)構(gòu),采取了預(yù)先加工蜘蛛網(wǎng)格及工藝圓柱的方案。

通過對薄壁腔體進(jìn)行加工仿真,驗(yàn)證了蜘蛛網(wǎng)格方案及整個(gè)薄壁腔體加工工藝流程的可行性,對類似薄壁腔體的加工具有參考價(jià)值。