基于CATIA的壁板零件數控高速加工

沈陽鼓風機集團股份有限公司 (遼寧 110689) 齊智勇

近年來，隨著新型軍民用飛機性能的不斷提升，其大型機翼結構上采用整體鋁合金壁板零件作骨架，取代了傳統的鈑金鉚接裝配組合件。機翼壁板外覆蓋蒙皮形成氣動外形，內裝油箱及各種管線，其外形尺寸大，結構復雜，制造精度高，零件易變形，普通加工難度大，制造周期長，嚴重制約著飛機零件的生產，進而影響零部件的部裝和飛機的總裝。

該壁板零件一般采用普通數控銑削，存在著加工效率低，零件產生熱變形較大，切削力較大，零件的加工表面質量不高等的局限性。而高速切削則在一般主軸轉速在10000 r/min以上，進給速度3000～6000 mm/min，切削加工零件時，大量的切削熱被切屑帶走，工件的表面溫度較低，能夠提高加工的效率、零件的精度和表面粗糙度。但高速加工機床的特點是轉速高、精度高、功率小，使用刀具直徑小，切削慣性大，轉向容易產生過切而影響零件尺寸精度。所以應用先進的CAM軟件系統總結出針對高速銑削機床特點進行數控編程的工藝方法是壁板類零件加工急需解決的問題。

1.高速加工的工藝方案規劃

圖1 機翼壁板

(1)分析壁板類零件的特點:如圖1所示為某型號飛機機翼上壁板零件，端頭與機身聯接，是整個機翼中主要的承重零件，是比較典型的一個薄壁鋁合金壁板零件，材料采用鋁合金預拉伸板材，外廓尺寸為6300 mm×1500 mm×35 mm。零件的上平面由橫向11長桁、縱向6縱墻組成80多個開口或封閉槽廓，腹板厚度2～4 mm，壁厚2.5～6 mm，結構復雜，表面質量要求高，尺寸公差要求嚴格。

(2)原普通數控加工的不足:在以往的生產中，采用普通數控機床進行加工，受機床、刀具等限制，轉速、進給速度均較低 (轉速1000～2500 r/min，進給速度200～2000 mm/min)，由于零件的腹板厚度和壁厚的精度極其不易保證，工藝上采用按系列刀 具 (φ65 mm、φ40 mm、 φ30 mm、 φ25 mm、φ20 mm和φ16 mm)大小細分粗、精加工，逐漸去除加工余量，工序中間還要從機床上卸下，安排校正和人工時效工序，反復裝夾定位找正，需要技術較高的工人來操作。而且單位時間內的金屬切削率低，加工易產生大的變形，零件表面粗糙度較差，數控加工無法保證零件壁厚的最終尺寸，要留有較大的加工余量后需鉗工大量打磨才能滿足圖樣要求，這使得零件加工周期要46個工時，零件合格率24%。

(3)高速銑削機床和刀具選擇:總結普通數控加工的不足之處，結合高速加工的優勢，首選選擇合適的機床和刀具。根據該零件的外形尺寸要求機床的工作臺較大，能夠滿足6300 mm的行程，結構上大部分輪廓為直輪廓，只有腹板背面局部為梯形深槽廓，可用角度刀加工，其余為三軸加工，因此采用三坐標高速龍門銑床來完成了零件的整個加工比較合適。

刀具采用外購的進口機夾、整體硬質合金小直徑系列高速銑刀。

(4)壁板零件的裝夾、定位:應用六點定位原則，采用一面兩孔的定位方法和真空吸附的裝夾方式。運用固定在機床工作臺上的大型真空平臺，同時在真空平臺和預拉伸板長向零件的外形輪廓外鉆鉸2個φ30H8的工藝孔，用一圓柱銷和一菱形銷定位。同時在零件裝夾前，在真空平臺上按零件的外輪廓銑制寬3 mm、深3 mm的密封槽，安裝上φ3 mm的密封膠條，放置預拉伸板毛料，真空吸附，配合壓板輔助壓緊。

(5)工藝方案的制定:采用兩面加工。正背面只裝夾定位一次。工藝路線:背面銑定位平面→加工各處下陷→翻面→正面粗加工腹板、壁厚→銑筋條高→精加工腹板厚、壁厚→銑外形輪廓。去掉了普通加工的工序熱處理、人工時效、校正和后期的鉗工打磨工序。

(6)切削參數的確定:部分切削參數如附表所示。

切削參數表

2.高速加工的數控編程方法及關鍵技術

在定義好機床控制系統類型、加工坐標系、前置后置處理的基本信息后，以交互的方式，按照彈出的編程對話框，分別定義如下參數。

加工策略:包括加工方式、刀具徑向策略、軸向策略、精加工策略和HSM參數的定義。

幾何參數:在三維數模上定義刀具軌跡的幾何參數 (導動線、加工平面和起止點的定義)。

刀具幾何參數:刀具的外形參數 (刀長、刃長、直徑和轉角等)的定義。

進給量、加工轉速:定義切削進刀、退刀、加工的進給量和主軸轉速。

宏指令:用來定義刀具路徑間的連接方式，即進刀、退刀、層間返回、聯接和間隔中的連接的快速走刀方式。

(1)順銑加工方式:在順銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時，刀具剛切入工件產生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產生大量熱，所以在逆銑中產生的熱量比在順銑時多很多，徑向力也大大增加。同時在順銑中，刀刃主要受壓應力，而在逆銑中刀刃受拉應力，受力狀態較惡劣，降低了刀具的使用壽命。圖2為CATIA中順銑的參數設置。

圖2 順銑設置

如圖2左所示，根據高速銑的特點，設置切削的方向為:Climb(順銑)，加工容差:0.02 mm(根據零件設計精度，設置機床步進與理論曲線的最大允許偏差)。其走刀方向為圖2右中刀具逆時針方向。

(2)分層的加工方式:由于高速加工的進給和切削速度快，而機床的功率小，所有高速加工需進行在不同的高度分層來加工。圖3、圖4為平面高速加工“槽 (Pocket)”時的參數設置。設置每層最大切深，分層加工。如圖3設置每層的最大切削深度為3 mm。編程軌跡會嚴格的按照該厚度從毛坯表面到零件的腹板面間進行分層處理。設置內輪廓余量精加，去除接刀痕跡。為了保證薄壁零件的側壁和腹板的表面粗糙度，如圖4設置分層切削時，在側壁和腹板面留有0.5 mm的余量，最后再增加一次分層，去除0.5 mm的余量，在較小的切削量下達到理想的表面粗糙度值。

圖3 分層設置

圖4 設置精加工余量

(3)進退刀的走刀方式:宏指令是CATIA的CAM系統中獨特的進行刀具切削路徑間進行連接、轉移的走刀方式，可以快速完成進刀、退刀、層內刀具轉移、層間轉移，不同區域間的連接，方法有效的、靈活、方便和方式豐富。這些宏指令可以靈活的運用在每個區域中，并可以自由組合，達到想實現的任何走刀方式。如圖5所示為宏指令連接的走刀軌跡。

設置螺旋進刀宏指令:如圖6所示，刀具從原點高度水平移動刀具至切削區域進刀點上方，然后沿軸向下降至切削表面上方5 mm處，以沿切削型腔輪廓以每20°/5 mm螺旋方式進刀，這時高速加工的最佳進刀方式。

圖5 宏指令

圖6 設置螺旋進刀宏指令

設置切向圓弧退刀宏指令:如圖7所示，刀具從零件的完成的切削輪廓處以切向圓弧R5 mm，90°離開后再沿軸向抬刀到安全平面，這種切向圓弧方式退刀，這時高速加工的最佳退刀方式。

層間的進退刀連接宏指令設置:層間進刀連接宏指令設置如圖8所示，層間的退刀連接宏指令設置如圖9所示。

圖7 設置切向圓弧退刀宏指令

圖8 層間進刀連接宏指令設置

圖9 層間退刀連接宏指令設置

(4)徑向走刀方式:徑向走刀方式選擇如圖10所示，由內到外環切的方式。徑向排刀方式:例如φ16R2 mm的銑刀，由φ16 mm去掉2倍的R2 mm和1 mm的刀具重疊量，平行軌跡的排刀寬度為11 mm(見圖11)。

圖10 徑向走刀方式

圖11 排刀距離

3.數控編程中的高速的特有關鍵技術

(1)設置刀具轉速和進給參數:根據前面的切削分析和總結，例如φ30R4 mm的整體硬質合金高速銑刀，進行如圖12所示的在CATIA的切削參數標簽中進行手工的設定:進刀速度、加工速度、退刀速度、精加工速度、轉角降速設置和主軸轉速設置等。刀具可自動調用開/關。

圖12 轉速和進給設置

如上開關開時，可以根據工廠的刀具庫中的參數數據，進行轉化，自動完成刀具幾何尺寸的形成和重要切削參數的傳遞，實現刀具參數的準確、與實際完全一致的設置。

速度設置:進刀速度 mm/min，加工速度mm/min，退刀速度mm/min，精加工速度mm/min，降速率100%，線性方式，如圖13所示。轉速設置如圖14所示。

在高速銑加工模式，可以設置在轉角之前、之后降低進給速度。減速率=50%，最小半徑角=45°，最大轉角半徑=5 mm，轉角前距離=20 mm，轉角后距離=20 mm，如圖15所示。

圖13 速度設置

圖14 主軸轉數設置

圖15

(2)設置拐角強制圓弧過渡:因為高速加工的特殊性，要求走刀路徑不能存在直角和銳角。在R11版中，加入了拐角強制圓弧過渡功能。這樣可以保證刀具切削過程的連續性和平穩性。圖16為“High Speed Milling”開關打開/關閉的區別 (圓角半徑1 mm)。

圖16 高速銑設置開關比較

(3)設置拐角路徑過渡如圖17所示，高速切削的轉角設置如圖18所示。

圖17

4.實施的效果

完成高速銑程序的編制和工藝方案制定后進行零件的試加工。采用由內而外的環切順銑加工方式，按照平均3 mm每層進行分層，以高速銑處理方法進行槽廓的粗精加工，采用螺旋進刀宏指令和切向圓弧退刀宏指令，腹板和壁厚僅留0.3～0.5 mm的余量，精加工去除。

在采用高速加工方案后，零件的加工周期縮短為普通數控加工的一半，僅為20個工時，加工效率提高80%，而且加工后的零件表面質量經過廠技術測量站檢測達到Ra=2.3 μm，零件所有幾何尺寸合格，壁厚和腹板未產生變形，完全達到圖樣要求，省去了大量的鉗工打磨工作。

圖18 設置轉角的刀具軌跡效果

5.結語

綜上所述，應用CATIA軟件的CAM模塊，加入特定的關鍵單元技術，編制出最佳加工壁板零件高速編程方法，使加工過程中避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，局部過切而造成刀具或設備的損壞;保持刀具軌跡的平穩，避免突然加速或減速對精度要求極高零件表面的影響;下刀或行間過度部分采用合理進退刀方式，避免垂直下刀直接接近工件材料;行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接;采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，還應避免全力寬切削;將刀具軌跡編輯優化，避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、復制和旋轉等操作，避免重復計算;通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用于零件局部變化時的編程，此時只需修改變化的部分，無需對整個模型重編;與可視化仿真加工進行模型傳遞與集成，模擬與過切檢查，如Vericut軟件就可很好地檢測干涉。

應用高速加工的編程和工藝方法來處理這種輪廓尺寸大，槽口繁多，薄壁易變形的壁板類零件，不但可以提高高速數控機床的利用率，而且使機床能運行在最佳運行點，發揮其最大的效率，同時同時保證產品的幾何尺寸、表面質量和加工生產的進度，從而保障飛機制造的質量和高可靠性。