支架工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)控銑削加工的研究

楊 旭

(成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，四川 成都 611731)

薄壁零件由于剛性好、重量輕、比強(qiáng)度高等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、模具、機(jī)械設(shè)備、工裝夾具領(lǐng)域。本文課題研究的主要材料是鋁合金7075-T651，其具有密度小、高強(qiáng)度及熱處理性好、良好的機(jī)械性能及陽極反應(yīng)、易于加工耐磨性好、抗腐蝕性及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。它特別適用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其他要求強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)體。

本課題是在某機(jī)械制造單位為成飛集團(tuán)生產(chǎn)的薄壁件支架，使用現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備(FANUC-0i系統(tǒng))進(jìn)行加工。筆者對(duì)支架的數(shù)控銑削工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終保證了支架生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和加工質(zhì)量。

1 薄壁型腔零件的切削特點(diǎn)

此零件壁厚1.5 mm屬于典型的薄壁型腔類零件。該支架零件雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于零件材料是鋁合金加工時(shí)型腔底板和腔壁都較薄，在加工中容易使工件腔底板和腔壁變形和振動(dòng)，從而降低工件的表面質(zhì)量。主要體現(xiàn)在以下三方面的變形。

(1)夾緊變形 工件是鋁合金材料壁薄，雖然其為易切削材料，但夾緊力量控制不好就會(huì)使工件變形，主要體現(xiàn)在形狀精度方面。

(2)振動(dòng)變形 工件剛性差，在切削力的作用下，最容易產(chǎn)生振動(dòng)而引起工件變形，從而影響工件的表面粗糙度及尺寸精度。

(3)熱變形 工件壁薄質(zhì)量小、熱容量小，在切削熱作用下最容易產(chǎn)生熱變形。主要影響尺寸精度。

2 支架工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及切削參數(shù)的選取

2.1 工藝方案優(yōu)化及選取

工件毛坯為260 mm×49 mm×20 mm的鋁合金材料7075-T651。工件加工表面上下不應(yīng)有劃痕、擦傷等損傷工件表面的缺陷。如圖1所示，工件因?yàn)樾颓槐诤裰挥?.5 mm，故采用液壓平口虎鉗進(jìn)行一次性裝夾，夾5 mm，對(duì)上表面所有型腔進(jìn)行數(shù)控銑削加工。利用輔助支撐元件進(jìn)行翻面平面銑削控制深度，否則很容易裝夾變形。

方案一：工件表面加工→外輪廓256 mm×47 mm×13.5 mm及8-R3 mm加工→95 mm×44 mm×10.5 mm的圓角長(zhǎng)方形內(nèi)輪廓→左右47.5 mm×44 mm×10.5 mm的內(nèi)輪廓→左右4個(gè)27.5 mm×9.7 mm的小斜面→2個(gè)φ12 mm孔加工→6個(gè)13 mm×5.3 mm×3 mm長(zhǎng)方形槽→工件翻面平面銑削并控制深度13.5 mm。

方案二：工件表面加工→加工外輪廓256 mm×47 mm×13.5 mm及8-R3 mm→左邊27.5 mm×47 mm×10.5 mm的斜面→左邊47.5 mm×44 mm×10.5 mm的內(nèi)輪廓→左邊三個(gè)13 mm×5.3 mm×3 mm長(zhǎng)方形槽→95 mm×44 mm×10.5 mm的圓角長(zhǎng)方形內(nèi)輪廓→右邊27.5 mm×47 mm×10.5 mm的斜面→右邊47.5 mm×44 mm×10.5 mm的內(nèi)輪廓→右邊三個(gè)13 mm×5.3 mm×3 mm長(zhǎng)方形槽→2個(gè)φ12 mm孔加工→工件翻面平面銑削并控制深度13.5 mm。

方案一中加工路線從平面加工，到外輪廓加工、中間型腔加工、左右的型腔加工，再到斜面的加工、孔的加工，最后到型腔底面槽的加工；如果數(shù)控機(jī)床精度一般的情況下，讓工作臺(tái)絲杠來回移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生定位誤差；另外，方案一是先把左右型腔加工后再加工斜面，如此一來工件壁薄很容易變形。

方案二中加工路線從平面加工，到外輪廓加工、左邊斜面加工、左邊型腔加工、左邊型腔底面槽的加工，再到中間型腔加工、右邊斜面加工、右邊型腔加工，最后到右邊型腔底面槽的加工。方案二沒有使工作臺(tái)絲杠來回移動(dòng)，是從左至右加工，這樣不會(huì)使工件產(chǎn)生定位誤差；也不會(huì)因壁薄加工斜面而產(chǎn)生變形。綜合分析考慮后選擇工藝方案二進(jìn)行。在加工時(shí)因工件熱容量小，需要充分的冷卻，讓工件很快被冷卻，所以采用乳化液作冷切液。

2.2 切削參數(shù)的選取

通過資料查閱高速加工超過傳統(tǒng)切削速度5～10倍；實(shí)踐證明，當(dāng)銑削速度提高10倍，進(jìn)給速度提高20倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的切削“禁區(qū)”后，切削機(jī)理發(fā)生根本的變化。其結(jié)果表明單位功率的金屬切除率提高30%～40%，切削力減小30%，刀具壽命提高70%，切削熱大幅度減少，切削振動(dòng)幾乎消失。

如圖2所示，根據(jù)薩洛蒙對(duì)各種金屬切削速度與切削溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲線和推論曲線，軟鋁加工時(shí)，銑削速度在1 200～2 400 m/min銑削的溫度很低，銑削效果極佳，也對(duì)數(shù)控設(shè)備綜合性能提出極高要求。此次加工的鋁合金具有高強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際數(shù)控設(shè)備，選擇銑削速度在400～600 m/min，根據(jù)切削速度公式v=nπD/1 000，可以算出銑削的主軸轉(zhuǎn)速n選擇20 000 r/min左右。采用高速小切削量加工，減小了切削力,切削熱大部分被切屑帶走，從而減小了工件的變形。所以選擇切削參數(shù)如表1。

表1 銑削參數(shù)表

加工內(nèi)容銑刀轉(zhuǎn)速/(r/min)進(jìn)給速度/(mm/min)銑削深度/mm半精加工合金銑刀?8mm2000012001精加工合金銑刀?6mm20000120005內(nèi)腔清角R3合金銑刀?4mm2200080002

3 支架輔助支撐元件及加工結(jié)果

3.1 輔助支撐元件

工件加工壁厚只有1.5 mm，底面3 mm，在翻面裝夾時(shí)很容易變形，為防止變形需要增加工件剛度，需要輔助支撐增加支架的剛度，如圖3所示。

3.2 工件加工結(jié)果

圖4所示為支架工件實(shí)物圖。選擇優(yōu)化工藝，采用高速進(jìn)行銑削加工，工件變形小，表面無振紋。通過檢測(cè)工件全部尺寸達(dá)到圖樣尺寸和技術(shù)要求。

4 結(jié)語

支架是典型的難加工零件，選擇優(yōu)化數(shù)控加工工藝和最優(yōu)數(shù)控銑削參數(shù)。在裝夾工件時(shí)增加輔助支撐元件增強(qiáng)工件剛性，利用高速銑削技術(shù)減小了工件變形和振動(dòng)，很好地保證支架加工精度、加工效率和加工質(zhì)量。此研究對(duì)薄壁工件加工具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)今后薄壁件加工起到一定參考價(jià)值。

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