Powermill針對異形航空管件的五軸編程與Vortex實際加工

鮑磊 余雁波

摘 要：提到異形航空管件，對于傳統3軸、4軸加工中心做起來比較費勁，某些特殊的復雜特征基本上無法加工到位；傳統方法是用精鑄的方式，鑄出復雜外形特征，再對局部一些有配合要求特征區域進行局部加工，對于完成后的產品來說，具有很好的剛性強度，避免了鑄造過程中出現微小氣孔，以及鑄造后表面光潔度低下的情況，整體加工出來的管體內部光潔度比較高，運用在需要過氣過液的場合時效果是精鑄工藝無法比擬的。

關鍵詞：異形航空管件；復雜外形特征；精鑄；一體加工

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0005-03

Abstract： In view of the special-shaped aeronautical pipe fittings， it is quite difficult to make in the traditional 3-axis and 4-axis machining centers， and some special complex features are basically unable to be machined as required. The traditional method is to cast the complex shape features by means of precise casting； for the finished products， it has a good rigidity strength and avoids the appearance of tiny pores in the casting process and the low surface finish after casting. The finish of the inner part of the tube processed as a whole is relatively high， and the effect is incomparable to that of the precision casting process when it is used in the occasion when passing gas and liquid is needed.

Keywords： special-shaped aviation pipe fittings； complex shape features； precise casting； integrated processing

1 加工難點及現有設備情況

本論文以此產品作為加工對象，主要描述運用 Powermill 軟件對該異形航空管件的一個加工實例，此航空管件外形結構復雜，內部管壁空間多處轉折，遮擋嚴重，壁厚只有 3mm，屬于薄壁零件，極易產生變形，選用的材料是 7075 鋁合金棒料，直徑為 Φ160X148mm，采用本單位奧地利 EMCO LM600五軸聯動加工中心兩次裝夾完成，LM600 五軸加工中心弊端在于直徑600mm的工作臺，配的主軸頭過大，在A軸擺-90°開粗過程中，主軸頭后橫梁部位和工作臺非常容易發生碰撞干涉，該零件裝夾方案選擇非常關鍵，如果運用傳統平口虎鉗或是三爪卡盤裝夾，對于該零件加工比較困難，發生干涉碰撞的地方非常多。

2 五軸加工特點及夾具重要性

大多數人認為五軸機加工范圍非常大，只需一次裝夾。除了裝夾面，其他任何空間特征都可以加工出來，其實這個觀點是錯誤的，五軸加工中心根據結構可以分出很多種類， 就拿常見的搖籃式AC結構來說，其實加工范圍并不大，一旦五軸聯動加工時，空間干涉性非常大，要么某些特征需要擺負角度時容易發生碰撞，換了加長刀柄避免了擺負角度但有可能又發生超程現象，這種魚和熊掌不可兼得的情況隨時發生，所以夾具設計與運用是一個非常重要的環節。曾經有位大師說過：“加工中心上最難的地方就在于如何把工件裝夾上去，至于編程隨便怎么編都可以把工件做出來”，這句話非常經典。

3 燕尾槽模塊化夾具設計及特點

本人做了一套在五軸加工中干涉比較小的燕尾槽快換模塊化夾具，該夾具第一部分為法蘭盤基礎板，第二部分為可拆卸的燕尾槽夾緊快換模塊組成；類似德國LANG牌夾具的原理，第二部分可以根據所加工工件不同種類設計快換模塊化夾具，安裝在基礎板上使用，非常方便；該夾具的特點：（1）模塊化方便快換；（2）加工范圍大減少空間遮擋干涉，提高機床加工范圍，使機床可以擺某些極限負角度加工；（3）減少使用長刀柄現象，提高加工剛性，防止震動；（4）經濟性，節約工件材料成本，相對傳統夾具，工藝臺留下的料頭少，只有4mm的燕尾帶，方便后續去除工藝臺。

該夾具實際應用情況：

首先把 Φ160X148棒料壓在工作臺上，A軸擺-90°起來，加工一條寬34mm深4mm的燕尾帶作為裝夾在燕尾快換模塊夾具上的工藝臺使用，燕尾槽夾緊方案加工過程中，能夠保證足夠的剛性及夾持力度，并且留下的工藝臺料頭非常小，方便后續去除工藝臺，經過實際切削，開粗飛面時用Φ53的4齒飛刀盤以S2600，F1400、ap=2mm、ae=25mm的參數切削起來比較輕快，并未產生震動現象，毛坯始終和夾具緊固結合在一起，沒有出現毛坯被銑動的現象，可見燕尾夾緊方式是非常牢固的。

4 第一次裝夾加工過程

4.1 Vortex旋風銑動態開粗

所有毛坯用飛刀盤把多余殘料銑出平面后，運用Φ16 的3齒立銑刀對周身進行開粗去余量，在此要提到的是，本人用Φ16立銑刀開粗時，用了高性能Vortex旋風銑動態開粗，切深20mm、切寬3mm，進給 3200，整個過程基本保證刀具純側刃切削，切削輕快效率非常高，對刀具磨損很小，切屑成長條針狀飛出，不像傳統分層開粗那樣產生碎狀切屑，對刀尖起到良好保護作用。

4.2 管道內部特征加工分析

對于管道內部加工必須要在第一次裝夾過程中全部完成，粗加工時本人不建議運用PM中現成的管道專用策略模塊進行開粗，現成的管道粗加工模塊雖然方便，屬于傻瓜式編程，只需你填好參數，刀路完全自動幫你計算出來；但要注意的是，管道專用開粗模塊里的刀具，只允許使用球頭刀或是糖果銑刀，大家都知道，運用球頭刀開粗時效率是比較低下的，本身球頭刀切削過程中阻力就比較大，從而限制了行距不能給大，下切步距更不可能給深，否則刀具就會折斷；而且該策略中刀軸控制是自動的，也就是不受人為控制，加工時機床隨時處于五軸聯動加工狀態，對于旁觀者感觀上看起來，機床切削過程中隨時扭來扭去，動作比較漂亮，比較炫技，但是對于加工效率來說非常低下，而且粗加工時管道內部余量比較多，聯動開粗用到的還是球頭刀，切削量不可能很大，機床隨時處于聯動狀態，對于剛性也比較差。

4.3 管道內部定軸開粗

所以本人在編制開粗程序時并沒有使用模塊化策略，還是選用定軸方式進行開粗，選用殘留模型粗加工方式，在機床A軸能擺的極限角度內定軸擺不同角度進行開粗，孔內后續的開粗過程不太劃算運用Voretex動態開粗，因為后續余量比較小，而且孔壁陡峭區域特征比較多還是選用分層開粗要來的直接一點，刀路提刀會相對少得多。該產品最難加工的區域在于大管口彎折的區域，那里運用立銑刀（注：不用T型刀情況下）不論再擺什么角度，留下的殘留余量是最大的。

另外要強調的是管道專用開粗策略，不是不建議用，能不用盡量不用，但對于像汽車發動機缸體內部那些彎管區域而言，無論你再如何擺不同角度，有些遮擋嚴重的地方，定軸開粗是不可能加工到位的，可以先用定軸方式把基本上能加工到的管道區域加工完，剩下殘留的那些遮擋嚴重區域再選用管道專用開粗策略進行加工，這樣效率會高得多。

4.4 管道內部五軸精加工

管道內部半精加工和精加工工序，用了Φ10的糖果銑刀配和熱脹刀柄加工，為了獲得更好的表面加工質量，最理想的刀路是能夠順著管壁連續不斷的螺旋加工，這時候需要五軸聯動切削，所以可以選用管道專用精加工策略——管道螺旋精加工，對于搖籃式AC結構的五軸關鍵不能讓機床A軸超行程，需要根據機床實際情況對A軸進行限制，否則容易發生碰撞危險。

4.5 第一次裝夾實際加工效果

實際精加工中留的余量合適，五軸聯動切削過程較平穩，加工出來內壁表面光潔度很好。管道外部開粗后需要留下多一點余量給二次裝夾工序進行后續加工，留太少余量會存在后續加工過程中，精加工無法加工出來的風險，本人曾經在做某個曲面較多的零件時就發生過因為周身只留了0.2～0.3mm余量，精加工后，工件表面出現大量開粗后的臺階型痕跡，這個根二次裝夾所用到的夾具精確度有著必然關系。

5 第二次裝夾加工過程

5.1 工藝及裝夾方案的選擇

第二次裝夾主要完成的是管體外部特征加工，首要問題解決的還是裝夾問題，工件在上一道工序中已經把管道內部和各管口外徑及端面結合部位加工到位，管道外形曲面較多，壁厚較薄，想要靠外形定位裝夾必然存在受力及與外形曲面特征貼合的情況，顯然這種方案不太理想；所以考慮以管道底孔內壁與其端面結合的特征進行定位裝夾是比較合理的，這樣需要一個從內側進行膨脹撐開，從內部抱緊底孔內壁的專用夾具，此夾具同樣做成模塊化快拆型，可以與法蘭盤基礎板相結合。（注意：為了提高裝夾精度，內撐夾具底座中間的滑塊定位槽和端面、徑向特征最好專配在基礎板上配著銑出來）。

5.2 外壁粗加工

這道工序主要加工外形，首先對外形剩下的殘留余量進行開粗——二粗——半精加工，最后進行聯動精加工；實際切削下來，二次裝夾用到的這個內撐夾具，夾緊力度可靠，能夠保證較高裝夾精度，至于二次裝夾對刀這個問題，可以設在夾具上，也可以設在工件上的某個特征，根據個人習慣合理選擇。

5.3 管道外壁精加工

精加工過程中，在加工大管口外壁時，最理想的刀路是順著大管壁外部螺旋繞著加工，但因為搖籃式AC結構五軸機床的特點，A軸只有正負120°的擺動范圍，圖中管口彎曲位置倒扣特征，導致A軸不允許擺太大負角度，還沒擺到極限位置主軸頭和工作臺就發生了很大的干涉問題，所以只能拆分成前后兩半區域進行聯動編程，不過最終加工出來接刀效果還不錯。

6 結束語

此航空管件最終加工完成后壁厚為3mm，加工過程主要闡述了工件的裝夾工藝問題，及Powermill軟件方便的五軸編程策略，安全的碰撞過切檢查功能，完成后的產品表面光潔度比較好，根軟件內部刀路算法及強大的點分布功能息息相關，本人能力有限，描述過程中若有不足之處方還請各位多多指正。

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