薄壁框架類零件數(shù)控加工工藝

□ 陳方國

中國空空導(dǎo)彈研究院 河南洛陽 471009

1 工藝背景

薄壁框架類零件在機(jī)械加工中占有較大比例。在航空工業(yè)的發(fā)展過程中,薄壁框架類零件的加工一直是行業(yè)的難點問題。

筆者以支架和框架兩種類型薄壁框架類零件為例,分析零件的結(jié)構(gòu)特點、工藝特點及零件變形的原因,提出高速銑技術(shù)的應(yīng)用、刀具和切削參數(shù)的合理選擇、工裝夾具設(shè)計的改進(jìn),以及其它改進(jìn)措施。

2 結(jié)構(gòu)特點

薄壁框架類零件結(jié)構(gòu)單薄、剛度差,不具備切削加工中所需的支撐強(qiáng)度和剛性,加工過程中易受切削力影響而產(chǎn)生變形,讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重。

薄壁框架類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工要素多,有很多形位公差的要求。

受薄壁框架類零件結(jié)構(gòu)影響,加工過程中的裝夾和定位較為困難。

薄壁框架類零件由于獨特的結(jié)構(gòu)特點,在加工中容易產(chǎn)生變形和讓刀現(xiàn)象,導(dǎo)致加工后的尺寸超差嚴(yán)重。零件變形原因主要有四個方面。第一,受夾緊力的作用,零件產(chǎn)生裝夾變形。第二,受切削力的作用,零件內(nèi)外壁在切削時產(chǎn)生偏讓,導(dǎo)致加工的薄壁厚度不一。零件壁越薄,偏讓越明顯,得到的零件表面質(zhì)量就越差,尺寸偏差也就越大。第三,零件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力變形。加工過程中,材料的去除破壞了材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡,在加工結(jié)束卸去裝夾力之后,零件的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致變形。第四,切削熱使零件產(chǎn)生熱變形。

3 工藝難點

薄壁框架類零件的加工要素一般都在加工中心上完成,不同結(jié)構(gòu)形狀零件的加工方法和解決措施各不相同。筆者主要以兩種類型的薄壁框架類零件——支架和框架為例,進(jìn)行分析。

支架材料為鋁合金,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工要素多,加工、檢驗較為困難,是科研生產(chǎn)任務(wù)的一個難點。支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 支架結(jié)構(gòu)

對支架的工藝難點進(jìn)行分析。支架的尺寸精度要求較高,部分表面粗糙度Ra要求達(dá)到1.6 μm,其余為3.2 μm。支架周邊結(jié)構(gòu)厚度僅為1.1±0.1 mm,最薄處只有0.5 mm,并且加工深度大,為32 mm,加工面積大,在加工時極易因振刀影響壁厚公差及表面粗糙度。由于支架上端腔體四周剛性差,因此支架在銑削中及銑削后都會產(chǎn)生較大變形,導(dǎo)致加工后各處壁厚尺寸相差較大。支架最大加工深度為32 mm,但是轉(zhuǎn)接圓弧半徑只有2 mm,轉(zhuǎn)接圓弧半徑與型腔深度之比為0.062 5,不滿足銑削的工藝性要求。支架加工過程中所用刀具直徑的選擇受到限制,導(dǎo)致使用的刀具剛性差,加工過程中讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重,且刀具較長,加工過程中極易折斷。

框架屬于另一類薄壁框架類零件,上下端面貫通,與支架相比所能承受的壓緊力和切削力更小?？蚣芙Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)

4 支架數(shù)控加工

針對數(shù)控銑削加工支架的難點,重點介紹支架的數(shù)控銑削精加工部分。支架的數(shù)控銑削精加工選擇數(shù)控機(jī)床為UCP710,機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。編程零點選擇在支架上表面的中心。

(1) 選擇合理的加工順序。先加工支架的上表面型腔,此時下面四個支柱剛性相對較好,加工中所產(chǎn)生的振動相對較小,有利于保證支架上端面的尺寸要求。后加工零件下部的四個腔體、支柱及分布在支柱周圍的七個連接凸耳。

(2) 采用較小直徑且刃數(shù)較少的銑刀進(jìn)行加工,銑刀刃數(shù)以兩三刃為宜,可減小切削力,并合理安排半精加工和精加工余量。如果銑刀刃數(shù)較多,那么排屑不利,容易產(chǎn)生積屑瘤,導(dǎo)致切削力增大,使支架產(chǎn)生較大變形。

(3) 選擇合適的裝夾方式,防止和控制支架受夾緊力而變形。采用留夾頭裝夾的方法,使支架主體部位不受夾緊力的作用,以此減小支架因夾緊力作用而引起的變形。支架角向用對刀棒做角向定位。

(4) 采用短切削刃模式。在加工支架上端的型腔時,由于轉(zhuǎn)接半徑與深度比為0.062 5,遠(yuǎn)小于0.2的合理比,加工時難度很大。對此,改制專用加長φ4 mm銑刀,將柄部及多余切削刃磨細(xì)0.1 mm,減小刀具與加工面的接觸面積,減小切削力,防止振刀。

(5) 采用高速銑技術(shù),并合理選擇切削參數(shù)。對高速加工技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),高速銑與常規(guī)銑相比,單位功率下的金屬切除率提高30%～40%,切削力減小30%,刀具壽命延長70%,加工時滯留于零件的切削熱大幅度減小,切削引起的振動幾乎消失。國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,進(jìn)給速度和切削速度提高15%～20%,制造成本可以降低10%～15%。高速銑可以縮短加工時間,提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外,切削載荷降低也有利于減小薄壁類零件在加工中所產(chǎn)生的切削變形,適用于薄壁類零件的加工。通過查閱相關(guān)技術(shù)資料,進(jìn)行多次切削加工試驗,摸索出支架的高速銑削合理參數(shù),見表1。以上參數(shù)在零件加工中得到了有效驗證,取得了良好效果。

表1 支架高速銑削參數(shù)

5 框架數(shù)控加工

框架與支架的不同點在于框架是上下貫通的,徑向無法受力,給裝夾帶來很大困難。以往的加工方法是數(shù)控銑削加工外輪廓和上端面,再加工側(cè)面孔。框架內(nèi)腔采用線切割加工,加工時間長,粗糙度值大,定位裝夾困難,變形也較大。而且加工工序多,框架的周轉(zhuǎn)次數(shù)也較多,導(dǎo)致框架加工周期長。

通過對框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,改進(jìn)的加工方案為在五軸數(shù)控機(jī)床上用一道數(shù)控銑削工序完成舊加工方案中包括線切割工序在內(nèi)的三道工序所有尺寸的加工。根據(jù)框架的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了一套工裝,如圖3所示。

圖3 框架加工工裝

工裝底座采用平面定位方法,用三個螺釘固定毛坯,先加工框架外形,再加工框架側(cè)面的孔槽,然后機(jī)床程序設(shè)置暫停,使用特制壓板壓緊框架。壓板的內(nèi)腔形狀與框架外形一致,兩者的配合間隙為0.02 mm。采用整體軸向壓緊方案,這樣既提高了框架的剛性,又使壓板的內(nèi)壁對框架起到支撐作用,消除加工過程中的讓刀現(xiàn)象。

框架的高速銑加工方法和刀具參數(shù)設(shè)置與支架加工基本一致,采用切向進(jìn)刀和螺旋下刀方法,保證穩(wěn)定的切削條件。

6 數(shù)控加工程序

要編制出高質(zhì)量的數(shù)控加工程序,需要充分利用機(jī)床的功能,將高速加工理念貫徹到加工程序中。薄壁框架類零件的數(shù)控加工程序編制要點有五條。

(1) 采用分層銑削編程方法,設(shè)置每層最大切深,分層加工,充分利用未切削部分作為零件最有力的支撐,以減小加工變形,提高刀具耐用度。

(2) 銑削采用順銑方式,減少加工中的拉刀現(xiàn)象,提高零件的表面質(zhì)量。

(3) 在銑削內(nèi)槽轉(zhuǎn)角之前設(shè)置較低的進(jìn)給速度,使單位時間內(nèi)的切削量保持恒定,避免在切削型腔轉(zhuǎn)角處時由于切削量的突然增大和主軸的慣性作用出現(xiàn)過切和刀具折斷現(xiàn)象。

(4) 內(nèi)腔尺寸半精加工直接加工至圖紙尺寸,小直徑加長銑刀只起清角作用,這樣可以減小小直徑刀具的讓刀趨勢和振動。

(5) 合理安排零件的加工順序尤為重要,若加工順序錯誤,則將會給后續(xù)加工帶來諸多不利,甚至造成零件報廢。

7 刀具

要保證加工過程連續(xù)高效,必須要選用剛性好、耐磨、動平衡和排屑性能良好的銑刀,具體可選用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金或粉末冶金高速鋼及其涂層刀具,選用原則一般有四條。

(1) 選用刃數(shù)為兩三刃的刀具為宜,因為刃數(shù)多,會導(dǎo)致排屑不利,容易產(chǎn)生積屑瘤,使切削力增大,導(dǎo)致零件產(chǎn)生較大變形。

(2) 粗加工及半精加工中大面積去除余量時,為提高加工效率,可選擇直徑相對較大的銑刀進(jìn)行加工,加工余量的設(shè)置要均勻合理。

(3) 精加工內(nèi)腔輪廓時,選擇的刀具尺寸要略小于零件型腔的最小轉(zhuǎn)角半徑,這樣有利于在轉(zhuǎn)角處形成圓滑的過度曲線,避免切削力在轉(zhuǎn)角處突然增大導(dǎo)致刀具折斷現(xiàn)象。

(4) 考慮到薄壁框架類零件幾何結(jié)構(gòu)的特殊性,選取短切削刃刀具,刀具的切削刃直徑要略大于刀柄直徑,以減小被加工面與刀具的接觸面積,減小切削力,這樣可有效減小刀具和零件的振動。

8 冷卻潤滑

在高速銑削時,切削產(chǎn)生熱量的70%～80%被切屑帶走,5%左右傳導(dǎo)至零件上,20%左右的熱量被刀具吸收,所以要選擇冷卻性能好、冷卻液流速較快的冷卻方式。理論上最好采用油霧冷卻方式,但受設(shè)備限制,實際上采用濃度為5%的乳化液進(jìn)行冷卻。乳化液的流速較快,冷卻效果較好,可以帶走大量切削熱量,消除零件的熱變形。

9 結(jié)束語

薄壁框架類零件是典型的難加工零件,要保證加工質(zhì)量,需要利用高速切削技術(shù),制訂合理的加工工藝路線,優(yōu)化切削參數(shù),設(shè)計合理的工裝夾具,改進(jìn)加工刀具。在薄壁框架類零件的加工實踐中發(fā)現(xiàn),采用高速切削技術(shù),零件的加工周期至少可縮短為普通數(shù)控銑削加工的一半。改進(jìn)合理的切削刀具,可以減小零件和刀具的振動,使零件表面質(zhì)量達(dá)到圖紙要求。通過切削參數(shù)的調(diào)整,銑削深度的優(yōu)化,可以減小零件內(nèi)應(yīng)力和零件變形。優(yōu)化各部位的加工順序,可以有效減小零件的振動和加工變形。采用合理的工裝對零件裝夾、定位,有效合并加工工序,可以節(jié)省零件周轉(zhuǎn)次數(shù),大大提高生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量。通過試制加工多個批次零件,經(jīng)過檢測均滿足設(shè)計要求,保證了產(chǎn)品質(zhì)量,同時為今后科研試制產(chǎn)品中的薄壁框架、超薄支架類零件加工技術(shù)的進(jìn)一步提高積累了寶貴經(jīng)驗。