鋁合金薄壁件數控銑削加工變形試驗與分析*

曹 巖 白 瑀 何永強 李云龍

(①西安工業大學機電工程學院,陜西西安 710032;②西安交通大學機械工程學院,陜西西安 710049)

近年來,加工變形補償技術已經得到國內外學者的廣泛關注。由于其加工過程本身的復雜性,還有大量的工作有待進一步展開[1-2]。論文針對薄壁結構工件的加工變形進行試驗研究與誤差分析,以鋁合金材料LY12CZ(熱軋板GB3193-82)方形直側壁工件變形進行研究及試驗驗證。通過正交試驗,研究薄壁件銑削精加工過程中各個切削用量對變形的影響,為提高生產率和進一步控制加工變形提供了依據,對薄壁件精加工選取工藝和工藝參數,提高加工精度具有重要的意義。

1 銑削試驗方案

1.1 試驗設備、刀具和工件材料

試驗的加工條件如下:

(1)刀具 材料為高速鋼W18Cr4V的φ4三刃立銑刀;

(2)工件材料 鋁合金LY12CZ(熱軋板GB3193-82),σb為 510 N/mm2,σ0.2=373 N/mm2,布氏硬度130 HB。薄壁長為40 mm,寬為4 mm,高為12.5 mm,底板為40 mm×40 mm;

(3)試驗設備 THA5656立式加工中心,銑削方式為逆銑。THA5656立式加工中心采用日本FANUC-0MC數控系統,由CNC微型計算機控制,具備四軸四聯動功能;

(4)銑削參數 v為銑削速度;ap為銑削深度;ae為銑削寬度;d0為銑刀直徑;f為進給量[3]。

1.2 正交試驗方案的確定

針對不同銑削用量情況下,進行銑削加工和工件變形量檢測。本文主要涉及4個切削參數(主軸轉速、軸向切削深度、徑向切削寬度和進給速率),屬于多因素試驗范疇。

采用四因素回歸正交試驗法[4]確定主軸轉速、軸向切削深度、徑向切削寬度、以及每齒進給量等切削參數后,制定四因素三水平的正交試驗因素水平表如1所示。

表1 四因素三水平表

試驗選取正交表L9(34)安排試驗,L表示正交表的代號,9表示正交表的橫行數,3表示字碼數(因素的水平數),4表示正交表的縱列數(最多允許安排因素的個數)。各試驗具體參數如表2所示。

表2 各試驗具體參數

2 銑削試驗及結果分析

2.1 銑削試驗

根據上述試驗方案,加工至工件壁厚1 mm,并進行多次空走刀保證工件形狀精度,如圖1所示。

精加工試驗條件表2所示。選取側壁尺寸為:長L=40 mm,高H=10 mm,厚度W=1 mm,選用刀具為 φ4 mm三刃立銑刀,懸伸長度為14 mm,螺旋角30°。試驗結束后通過測量工件表面各點的坐標,可以得到工件表面的實際位置。

為研究薄壁加工變形規律,表格數據為切削完成后,未拆卸裝夾時,用千分表在加工表面上 x1=10 mm,x2=20 mm和x3=30 mm三處軸線位置由上至下測量的變形數據,為此可以做表面變形圖。各測量點之間間距為1 mm,如圖2所示。

2.2 試驗結果及分析

試驗號3、5、7的試驗數據和表格如下所示。

在試驗3(刀具轉速為2000 r/min,進給速率200 mm/min,銑削深度為10 mm,徑向切深0.1 mm)條件下,試驗結果如表3和圖3所示,工件變形范圍在-0.024～0.001 mm之間。工件變形最大點出現在X2(工件中間)和Z向測量點2處。

表3 試驗3測量點與被測變形(測量點間距均為1 mm)

在試驗5(刀具轉速為2500 r/min,進給速率150 mm/min,銑削深度為10mm,徑向切深0.3 mm)條件下,試驗結果如表4和圖4所示,工件變形范圍在-0.045～0 mm。工件變形最大點出現在X2(工件中間)和Z向測量點1處。

表4 試驗5測量點與被測變形(測量點間距均為1 mm)

在試驗7(當刀具轉速為3000 r/min,進給速率100 mm/min,銑削深度為10 mm,徑向切深0.2 mm)條件下,試驗結果如表5和圖5所示,工件變形范圍在-0.028～0 mm。工件變形最大點出現在X2(工件中間)和Z向測量點2處。

從上述結果可以看出,在工件下端,三個位置變形相差不大,而上端差別較大,這是因為對于每個位置處隨著切削的進行,一部分材料被去除,工件上端剛性急劇減小,導致變形增大,而下端剛性相對較為穩定。工件壁的上部產生的變形較大,而工件的底部由于試驗時采取整體銑削,并用組合夾具進行裝夾,在加工中變形很小。

表5 試驗7測量點與被測變形(測量點間距均為1 mm)

3 結語

針對不同的銑削用量采取正交試驗方法,對鋁合金LY12CZ工件進行銑削試驗和變形量分析,研究薄壁件銑削精加工過程中各個切削用量對變形的影響,為提高生產率和進一步控制加工變形提供了依據。為了對薄壁件銑削時受力變形的規律進行研究,需要大量的數據,這些數據完全靠試驗來獲得成本太高,所以應該采用切削試驗與加工過程計算機仿真相結合的方法。本文的研究為驗證加工過程計算機仿真模型奠定了基礎。

[1]曹巖.K192預拉伸板加工參數及應力分析科學總結報告.西安:西安交通大學,2003.

[2]鄭聯語,汪叔淳.薄壁零件數控加工工藝質量改進方法[J].航空學報,2001,22:424-280.

[3]孟少農.機械加工工藝手冊[M].北京:機械工業出版社,1991.

[4]何永強.薄壁件數控銑削加工切削力及變形誤差分析:[碩士學位論文].西安:西安工業大學,2008.