航空航天領域中數字化模具制造技術的應用

西安航空動力控制公司 劉文義 趙興龍

航空航天領域中數字化模具制造技術的應用

西安航空動力控制公司 劉文義 趙興龍

劉文義

近年來隨著國家對模具產業發展的高度重視及人才的培訓，航空航天領域的模具技術也有了飛速發展，航空航天產品不斷向多樣化和高性能化發展，也就是要求模具制造單位在短時間內為生產單位開發和投產提供高精度的模具。為了適應這一要求，公司充分利用數控加工及模具計算機輔助制造等技術，將數字化應用到了模具制造的全過程，包括數字化設計、加工、分析以及制造過程中的信息收集，從而實現快速原型設計、高速加工，保證產品任務的完成。

薄壁件的銑削加工

在模具的生產過程中，薄壁件的數控銑削是一種常見的加工方式。通過對薄板支架零件的數控加工工藝分析，并在UG軟件中生成了走刀路線，總結了薄壁銑削加工變形的規律，提出了薄壁件加工變形的補償方法。薄壁結構零件主要由側壁和腹板組成，由于其結構簡單、加工余量大以及相對剛度較低，故加工工藝性差，在切削力、切削熱和切削振動等各種因素影響下，容易發生加工變形，致使其加工精度難以保證，且效率低下，成為薄壁模具件加工的重要約束。圖示零件為一種薄板狀支架，材料為鍛造鋁合金LD5，結構形狀較復雜，是適合數控銑削加工的一種典型薄壁類零件。

薄壁類零件

該零件的加工輪廓由列表曲線圓弧及直線構成，其結構較為復雜，幾何公差等級為IT14，表面粗糙度值為Ra=6.3 μm，在加工時極易產生振動，導致零件的壁厚公差和表面粗糙度等難以達到要求。產品的毛坯與零件相似，各處均有不小于5 mm的加工余量，零件在加工前后尺寸相差較大，加工時剛性也不好，在加工過程中，銑削前后都會產生較大的變形誤差，因而在切削刀具材料選擇時應使用耐磨、抗沖擊能力好、硬度高以及與工作材料親和力小，能適應在更高的切削速度下工作的、采用了化學氣相沉積涂層的硬質合金刀具。在切削時對刀柄的動平衡特性、幾何精度、重復裝夾精度和裝夾剛度等要求都很高，所以選用1∶10的HSK的真空刀柄；在銑削加工時，使用一面兩孔的定位方式，夾具使用專用的過渡真空平臺，利用真空吸緊工件，夾緊面積大，剛度好，銑削時不易產生振動，尤其適用于薄板件裝夾，并加輔助夾緊裝置，以避免工件松動。

對于薄壁件的銑削加工變形問題，通常的辦法是在精加工后，在無進給量的情況下切削幾次，這種方法能夠將部分殘余材料去除，但影響了零件的加工效率。本例產品在加工時使用主動優化刀具路徑來補償銑削加工變形的方法，通過有限元模型計算工件的變形量，將變形量數據加載至UG軟件中，形成帶有補償功能的數控加工程序。而所謂的刀具路徑補償功能就是在有限元分析的基礎上，根據加工變形量的大小，在數控編程時讓刀具在原有走刀路徑中按變形量附加，補償因為變形而產生的讓刀量，通過刀具補償，可以去除讓刀殘余材料，一次走刀就可以保證薄壁件壁厚的精度要求，從而達到加工薄壁件的目的。由于薄壁件加工是一個動態的復雜過程，影響加工的因素還有很多，所以有關薄壁件加工變形問題還需進一步研究。

數控電火花加工

數控電火花加工技術在模具制造、電子、儀器等部門用來處理各種復雜外形零件和難加工材料的加工問題。模具零件在制造前，根據本身的特性、加工要求來確定合理的加工工藝。為了使模具零件在盡量短的時間內加工出來，減少加工本錢，提高加工效率，應盡量選用銑削加工、線切割加工等工藝來加工零件。當在銑削加工、線切割加工等加工不到或工件有特殊要求的情況下會使用電火花加工，如刀具難以夠到的復雜外表，需要深度切削的中央，長徑比特別大的中央，精細小型腔、窄縫、溝槽和拐角，不便于切削加工裝夾，材料硬度很高等，根據加工對象、精度及外表粗糙度等要求和機床功用選擇采用適宜的電火花成形工藝方法。

采用快速裝夾定位系統來制造電極是電火花加工的一種先進工藝方法，它是將電極坯料裝夾在加工機床的裝夾系統上來制造，制造完成后，可直接將電極裝于電火花加工機床的快速裝夾系統上停止放電加工，給加工操作帶來了很大的便利，提高了電極的制造效率，也保證了電極的裝夾、定位精度。

電火花加工首先要進行電極的設計、制造。當前計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術已普遍應用于模具制造行業。本公司使用UG、MasterCAM軟件提供的強大的電極設計、編程功能，采用線切割加工電極，非常適宜2D電極的制造，可用來單獨完成整個電極的制造，或者用于銑削制造電極的清角加工。另外，薄片類電極用機械切削加工很難停止，而運用線切割加工可以獲得很高的加工效率和加工精度；運用慢走絲線切割機床，可以加工有斜度、上下異形的復雜電極，獲得很高的加工精度和外表質量。

在電火花的加工過程中，電參數選擇的好壞直接影響加工的各項工藝指標。選用電參數最終目的是為了達到預定的加工尺寸和外表粗糙度要求。選用電參數時，從根本上要考慮電極數目、電極損耗、工作液處置、加工外表粗糙度要求、電極縮放量、加工面積和加工深度等要素。粗加工參數選擇的主要根據是電極縮放尺寸的大小。粗加工電極的縮放尺寸普通都比擬大，可以選用安全間隙實現接近電極縮放尺寸的電參數。精加工參數選擇的主要根據是最終的外表粗糙度要求，選用多組電參數，放電能量從大到小停止平動加工，達到外表粗糙度和加工尺寸要求。數控電火花加工機床有許多配置好的最佳成套電參數，自動選擇電參數時，只需把所需要輸入的條件精確輸入，即可自動配置好電參數。

模具制造技術在航空航天制造中的應用

隨著航空航天事業的發展，已經將先進的數字化技術應用于模具制造，而且近幾年發展迅速，有了較好的業績，已開始從歐美市場承接訂單。但是數字化技術的普及還有待深入，模具行業發展水平尤其是復雜、大型的高精尖模具與歐美一些國家、日本相比還有很大差距。應當大力開展模具數字化制造技術的研究開發，使數字化制造技術普遍應用于模具產業，用來改造傳統的模具產業。

20140410）