零件上彎管特征的加工探索

韓俊峰，楊保成，唐 靜，宋翔宇

（1.四川工程職業技術學院，四川 德陽618000；2.德陽市重型機械備件廠，四川 德陽 618000）

0　引言

整體化的結構既可提高零件的可靠性，又能達到零件減重、減級、增效的目標，同時還能滿足零件維護簡單、使用壽命長的需求[1]。故越來越多利用空氣動力學原理的零件提出了整體化、結構化、輕量化等設計特性。即原來由組裝形成的空氣動力學要求的封閉彎曲型腔結構（即彎管特征），現需要通過切削加工來形成（例如葉柵、機匣、葉環、噴嘴管子等零件見圖1）。彎管特征的切削加工給機械加工帶來了新挑戰。如何解決此特征在加工過程中刀具費用高、加工效率低、設備占用量大以及如何提升加工的品質等是各個工程師努力的方向。本文在此進行了一些積極的探索。

圖1　部分帶有彎管特征的零件

1　加工分析

如圖1所示，零件上彎管特征其橫截面為近似的圓形，但又不是標準的圓，其形狀的引導線為彎曲的曲線，而非直線。故常規的車削、鉆削、鏜削等工藝方法無法完成特征的加工。銑削加工雖然可以完成，但過程中刀軸的控制要求比較高。此外為提高產品的性能和可靠性，大量的難加工材料（如不銹鋼、鈦合金、高溫合金等）被應用于特征的制造用材料[2]，給切削加工帶來了加工難度。其次彎管特征的管壁多為薄壁，切削變形、顫振等對特征的高精度、高表面質量要求帶來了不利因素。綜合結構、材料、工藝系統等方面，彎管特征的加工難點突出表現在以下幾方面：

（1）特征的形狀結構特異，存在彎曲的倒扣曲面，加工時刀具刀軸的位姿不易確定，易發生刀具與結構干涉、易發生過切、欠切等現象；

（2）材料的為難加工材料，切削難度大，刀具磨損嚴重；

（3）受彎管結構的限制，粗加工時需在封閉區域進行下刀，下刀難度大，刀具刀尖易損壞；

（4）彎管的薄壁在加工時易產生受力變形，特征的尺寸精度不易控制；

（5）特征的加工質量要求高，若彎管四周的曲面若分面單獨加工，在曲面交界處會因接刀痕而影響特征的尺寸精度及表面質量；

（6）特征兩兩曲面之間的過渡圓弧半徑較小，清根加工時刀具直徑、切削進給受限，加工效率低；并且易發生因刀具剛性不足而引發的顫動，影響加工質量。

2　加工探索

2.1　開粗加工

開粗加工目的是去除多余的金屬材料，但因彎管特征的結構特殊及材料特殊，開粗加工變得十分困難，可使用一下方法輔助加工，以降低加工難度，提高加工效率。①較小尺寸的彎管特征，因尺寸小導致加工時下刀和排屑都十分困難，刀具磨損快，對此可借產品的形狀，在不發生過切的情況下，先在特征的內部預先鉆出一個下刀和排屑的預孔，以便于后續加工的下刀和排屑（見圖2）；②較大尺寸的彎管特征，為提高加工效率以及節約加工設備成本，可使用相比來說功率大，剛性好的三軸數控銑進行開粗加工，減少多軸設備的占機時間，降低加工成本（見圖3）；③部分零件的單個的彎管特征，為節約刀具成本可考慮使用線切割進行開粗加工，節約開粗的刀具成本（見圖 4）。

圖2　鉆預孔

圖3　三軸開粗

圖4　線切割加工開粗

2.2　半精加工

半精加工的作用是去除開粗未能加工的部位，為精加工提供均勻、合適的加工余量，經過半精加工后，零件的加工余量比較均勻、余量大小比較合適，精加工切削過程穩定，加工質量高。為了提高加工效率，保證工藝系統的剛性，半精加工的多軸機床建議盡可能使用其定軸功能（即3+2模式）來進行加工。例如：①通過擺動刀軸（3+2模式）加工開粗時未能加工到的倒扣的結構部分（見圖5）；②對兩兩曲面的過渡圓角進行預先清根加工（見圖6）。

圖5　半精加工倒扣

圖6　圓角的清根

2.3　精加工的設計

因彎管特征為封閉、彎曲的腔體，加工時刀具的干涉大，刀具刀軸位姿計算復雜；又因腔體四周曲面若分開加工，則在面與面的交界出會產生接刀痕跡。故彎管特征精加工的編程極為復雜，精加工編程建議借助于 mastercam、cimatron、powermill、hypermill等先進CADCAM軟件的管道模塊（見圖7）來完成，基于特征三維模型，模塊中計算機可根據彎管特征的曲面自動計算合適的刀具刀軸，并優先一次性完成特征四周曲面的精加工刀具軌跡（見圖8），以達到高效、高質量的加工需求。

圖7　某CAD/CAM軟件的管道模塊

圖8　一次性完成加工的精加工刀具刀軌

此外精加工時，針對彎管特征因薄壁結構受力易變形的問題，可在特征內部填充一些容易去除的特殊物質（如橡皮泥、快干膠等材料），以增大壁厚，提高剛度，減少、阻止切削變形，提高加工精度。并且在條件具備的情況下推薦采用高速切削加工來完成特征的精加工，以減小切削力，達到減小變形的目的。

2.4　加工刀具的選擇

切削加工中，常見的刀具磨損有兩種形態：①機械作用出現的磨損，如崩刃或磨粒磨損等；②熱及化學作用出現的磨損，如粘結、擴散、腐蝕磨損以及切削刃軟化、溶融而產生的破斷、熱疲憊、熱龜裂等等[3]。

彎管特征所用的材料多為難加工材料，切削加工時，存在許多促使刀具磨損的因素。所以必須慎重選擇刀具材料及類型。雖然金剛石、CBN（立方氮化硼）等材料的高溫硬度是現有刀具材料中最高的，最適合于難加工材料的切削加工，但其價格比較昂貴，成本過高，導致應用不廣泛。而新型涂層硬質合金，以超細晶粒合金作基體，選用高溫硬度良好的涂層材料進行表面多層涂層處理[4]，其具有優異的刀具性能，價格又比較親民，是首選的刀具材料之一。

刀具的結構形式有：整體式、焊接式、可轉位刀片以及新近研發的快換刀頭等等形式[5]，彎管特征加工時刀具的結構形式選擇可參考以下幾點：①粗加工時推薦使用可轉位立銑刀，并且因下刀在封閉區域進行，比較困難，建議刀具的刀尖帶有一定的小圓角，以提高刀具刀尖的強度；②半精加工時建議采用裝刀片的可轉位牛鼻銑刀或快換刀頭的結構形式，刀具更換快，加工效率高；③精加工時，編程采用CAM軟件的專業模塊，因受到軟件所支持刀具類型的限制[6]以及加工要素為曲面，需選用球頭刀具，但為了提高刀具的強度，建議使用帶錐度形式的球頭銑刀。

3　結束語

實踐證明采用上述的使用線切割、三軸開粗；定軸半精加工、五軸聯動加工技術進行精加工；通過填充物質解決加工變形；選用涂層硬質合金刀具材料以及使用牛鼻刀、錐度刀等結構形式提高刀具使用壽命和增強刀具剛性等措施，對于彎管特征的加工取得了良好的加工效果和經濟效益。上述的探索對于后續加工彎管特征有一定借鑒意義。

參考文獻：

[1]胡曉群.復合加工技術在航空發動機零件制造中的應用[J].航空制造技術，2011（19）：48-50.

[2]程耀男.航空發動機典型零件加工技術與刀具應用分析[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（3）：110-116.

[3]韓春霞.難加工金屬材料的切削加工技術[J].科技創新導報，2016（14）：31-32.

[4]鄭文虎.刀具材料和刀具的選用[M].北京：國防工業出版社，2012.

[5]山特公司.SANDV主樣本2014[M].北京：山特維克可樂滿中國有限公司，2014.

[6]馬志國.Mastercam 2017數控加工編程應用實例[M].北京：機械工業出版社，2017.