某異形鉤子零件快速加工工藝研究

鄧文星， 宋燕林， 閆佳佳， 張恒， 馮奎兵

（山西航天清華裝備有限責任公司 工藝處，山西長治046012）

0 引言

某鉤子形狀復雜，不易裝夾，尺寸、輪廓同軸度等精度要求較高，尺寸精度不容易保證且批量較大，一直是公司加工中的“瓶頸”問題。其三維模型如圖1所示。該件材料為低溫合金鋼，40Cr 鍛件，調質硬度為38～40 HRC。此工件結構較復雜、加工面較多、技術要求高、機械加工量大[1]。本文選取主要加工面為A、B、C 作 為 研究對象。

1 工藝方案設計

1.1 加工分析

圖1 零件三維模型

根據數控加工一次裝卡盡可能完成多個輪廓的原則[2]：因A面輪廓要素較多，所以首先加工A面，在A面加工完成后，在設備上通過測頭直接檢測中間φ20孔公差，尺寸合格后方可下貨，不合格則補加工。加工完成A面后，對B面加工時，因為已經加工完成的面是異形面，無法采用傳統方式裝夾，此時需要設計制作一套由左、右兩個工裝組成的專用工裝，用于固定已加工好的A面，先將左、右兩工裝進行脫模分解，將產品放入工裝中，用虎鉗夾緊，然后采用機床測頭進行自動對刀找正，保證兩個孔位同軸度。加工C面時采用工裝定位后，在機床自動對刀找正，對產品根部進行清角，保證尺寸精度。

1.2 刀具選擇

粗銑加工時期望提高材料去除率，常用刀具為方肩銑，常用銑削刀路如圖2所示。因其采用大切深大切寬來滿足材料去除率的要求，所以加工效率高[3]。然而，對此產品進行開粗時，因材料硬度較高，采用方肩銑加工時，易導致刀具和工件接觸時間長、切削溫升快、刀具顫動大，加工過程不穩定，進而影響刀具使用壽命，增加刀具成本和降低加工效率，因此不選用該類型刀具進行開粗。

圖2 常用銑削刀路軌跡圖

為攻克技術難關，攻關團隊主動摒棄傳統加工方法，采用刀具成本較低的高速銑削刀具進行開粗，并在德瑪吉DMU125P五軸加工中心采用VORTEX旋風銑加工[4]。該方法加工過程中刀具包角一直處于較小的狀態，刀具負載在每一個擺線循環中都經歷了從小到大然后再變小的過程，不會出現刀具負載的突變，從而可以有效減少刀具的顫動、磨損。在每一次刀具公轉走刀循環過程中，都包含了切削過程和非切削過程，處于切削狀態的時間較少，徑向的切削寬度從零開始逐漸增加到最大，然后再逐漸減小到零。切削力也經歷著從零增大再減小的過程。由于切削力較小，可以適應各種加工余量的變化，從而降低加工余量突變對刀具的破壞。VORTEX旋風銑刀路如圖3所示。此刀具加工方法的成功應用，對硬度高、調質黏性大等難加工的材料具有很好的借鑒作用，如高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼等材料。

圖3 VORTEX 旋風銑削刀路軌跡圖

經過比較，選取某品牌φ32 mm高速銑刀具，該刀具呈三角形，正反兩面共計6個刀刃，經過測試，每組刀刃可加工產品兩件，一組三片刀片可加工產品12件，屬于高效低成本刀具。

1.3 加工工藝

1）通用虎鉗裝夾產品，對產品A面全輪廓進行加工，在機檢測孔公差和全輪廓過渡；2）專用工裝作為墊鐵放在虎鉗上，對產品B面進行加工，保證厚度和孔同軸度；3）豎立工裝2裝夾，對產品C面進行加工，完成斜面及清角。

1.4 工裝設計

團隊成員通過集智攻關，建立產品三維模型，然后對其進行脫模分解，將其中尺寸要點進行提取并設計合適的工裝。由于鉤子為異形件，通過仿形設計，設計出一組專用工裝（由左、右兩個工裝組成）。先將左、右兩工裝進行脫模分解，將產品放入工裝中，用虎鉗夾緊，然后采用機床測頭進行自動對刀找正，保證兩個孔位同軸度。工裝三維圖如圖4所示，工裝實物圖如圖5所示。

2 模擬加工

2.1 A面VORTEX旋風銑削

采用某軟件的VORTEX旋風銑功能，在加工時刀具切寬恒定，沒有滿吃刀現象，通過旋風銑功能，能有效降低機床載荷和刀具顫動，最大程度發揮機床和刀具的高速加工優勢[5]，旋風銑開粗加工切削速度為前者的4～5倍，并且沒有“打刀”的風險。A面VORTEX旋風銑削三維軌跡如圖6所示。

圖4 工裝三維圖

圖5 工裝實物圖

圖6 A面VORTEX 旋風銑削三維軌跡圖

2.2 補加工與精加工

開粗后用φ12 mm飛刀進行二次開粗，對需清角的位置進行清角，然后再采用φ32 mm玉米銑刀進行預精加工，光整上平面。最后用φ12 mm硬質合金刀進行精加工。硬質合金銑削刀具螺旋角越大，工件與刀刃的接觸線越長，在單位長度的刀刃上載荷就越小，切削越輕便，所以選擇刀具螺旋角為42°的硬質合金刀進行精光。A面清角如圖7所示。產品在加工后進行全輪廓倒角，采用φ16、45°倒角刀對產品全輪廓進行C0.2的倒角，使產品質量更高。使用全輪廓倒角后，僅需要對根部大約5 mm的長度進行修挫即可。

3 實施效果

通過采用工裝、VORTEX旋風銑削后，生產效率提高4倍以上，產品一次交驗合格率達到百分之百，公差及精度得到更好的保證。加工過程如圖8所示，最終成品如圖9所示。

圖7 A面清角示意圖

圖8 加工過程實物圖

4 結 論

1）采用VORTEX旋風銑開粗功能，可實現高硬度材質異形復雜件高效銑削，極大提高生產效率，也為硬度高、調質黏性大等難加工的材料提供了解決思路。

2）通過異形件仿形設計原理，設計出適合本件的脫模工裝，實現一個工裝兩個面裝夾定位，解決了中小型異形件不易裝夾的技術難題。

圖9 最終產品實物圖

3）采用多軸加工設備進行異形復雜件加工，實現在機表面加工、全輪廓倒角及檢測一體化，避免了使用專用刀具成本較高的弊端，同時大大節約人力，降低了勞動強度。