復(fù)雜異形零件的數(shù)控加工

楊衛(wèi)軍，崔雅琴，吉紹勇

河北燕興機(jī)械有限公司 河北張家口 075041

1 序言

異形零件如果生產(chǎn)批量大，那么可以采用鑄件、鍛件或粉末冶金等成形方法，這樣可以降低零件的制造成本，但是前期需投入大量的模具費(fèi)用，且模具試制周期較長；如果生產(chǎn)批量小，或者產(chǎn)品處于開發(fā)過程中，不可能投入昂貴的模具進(jìn)行成形加工，也沒有時(shí)間等待，若使用3D增材打印方法往往滿足不了零件的機(jī)械性能要求，因此，實(shí)用可行的還是采用機(jī)械加工去除材料的方法。以往多采用普通設(shè)備加工，不僅工序多，需要的夾具多，而且對(duì)操作人員的技能要求也高，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期漫長，開發(fā)成本高。

隨著數(shù)控設(shè)備的發(fā)展和普及，可以充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，快速加工出復(fù)雜的異形零件。

2 異形零件加工工藝分析

圖1所示異形聯(lián)接體零件為某產(chǎn)品擊發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，材料為2A12-T4鋁合金。零件形狀復(fù)雜，編程及加工難度大。

圖1 異形聯(lián)接體零件

該零件直接由鋁棒加工成形，材料去除率高，工件容易產(chǎn)生變形。加工難點(diǎn)在于如何保證圓柱面和凸臺(tái)間的圓弧面的圓柱度以及滿足表面粗糙度要求。

工藝過程包括車、銑、去工藝頭、車螺紋和銑槽。首先車異形件毛坯，然后在四軸立式加工中心上，采用一夾一頂?shù)难b夾方式，分粗銑、半精銑和精銑三步完成零件主要外形的加工，之后將工藝頭銑去，數(shù)控車床雙頂完成螺紋加工，最后銑槽，完成工件的加工。

3 車異形件毛坯

圖2為異形件車序示意圖，右端外圓階梯臺(tái)為工藝夾頭，內(nèi)孔加工至成品尺寸，其他部分單邊留加工余量0.5mm。

圖2 異形件車序示意

4 銑異形件成形

4.1 裝夾并確定工件零點(diǎn)

圖3為工件零點(diǎn)坐標(biāo)圖。工件裝在第四軸上，右端用自定心卡盤夾緊，左端通過堵頭、尾座用頂尖頂緊，用百分表分別打左右端小圓，通過調(diào)整或修整自定心卡盤，將百分表針跳動(dòng)控制在0.1mm之內(nèi)，最后把頂尖鎖緊。

圖3 工件零點(diǎn)坐標(biāo)

4.2 選擇刀具并確定刀具切削參數(shù)

刀具選擇說明如下。

1）粗銑選用大直徑刀具。

2）精銑選用立銑刀。

3）φ 6 m m的硬質(zhì)合金刀主要用于銑長槽R3.5mm。

4）刀具直徑主要從工件的尺寸限制、金屬去除率和刀具價(jià)格3個(gè)方面綜合考慮選擇。

5）粗銑時(shí)切削參數(shù)遵循“淺切深、大切寬和多切快跑”的原則。

6）精銑時(shí)切削參數(shù)的選擇主要依據(jù)工件的表面粗糙度要求，一般來說，進(jìn)給速度要低，吃刀量要大。

7）刀具的長度規(guī)格遵循“一寸長、一寸短”的相對(duì)論，刀具越短，剛性越高，切削越穩(wěn)定。

根據(jù)以上原則，所選用的刀具規(guī)格及切削參數(shù)見表1。

表1 刀具規(guī)格及切削參數(shù)

4.3 UG8.0編程前的準(zhǔn)備

（1）創(chuàng)建4個(gè)父節(jié)點(diǎn) 分別為創(chuàng)建程序（program）、創(chuàng)建刀具（tool）、創(chuàng)建幾何體（geometry）和創(chuàng)建方法（method）。

（2）創(chuàng)建工序（操作） ①3軸2聯(lián)動(dòng)平面銑。②3軸2聯(lián)動(dòng)型腔銑。③3軸2聯(lián)動(dòng)固定軸曲面輪廓銑。④3～5軸聯(lián)動(dòng)可變軸曲面輪廓銑（多軸銑）。

（3）創(chuàng)建幾何體（數(shù)模）策略 ①依據(jù)平面圖創(chuàng)建（調(diào)用）數(shù)模，注意平面圖中雙加或雙減的尺寸，一般要修改數(shù)模到圖樣中差實(shí)際尺寸，這樣便于操作者調(diào)整刀補(bǔ)值。②為便于刀路簡潔，有些斷續(xù)面需修改數(shù)模變成完整面。

4.4 粗銑外形

（1）創(chuàng)建工件幾何零點(diǎn)（見圖4） 一定要注意安全距離設(shè)定值，防止撞刀；機(jī)床坐標(biāo)系設(shè)定一定要準(zhǔn)確。

圖4 創(chuàng)建工件幾何零點(diǎn)

（2）粗銑型腔上、下部分（見圖5） 首先選擇“型腔銑”，該功能包含型腔銑的主要功能，一般用于粗加工；其次在型腔銑展開列表中選擇“切削深度”功能，將切削深度“自動(dòng)”改為“手動(dòng)”，切削深度改為毛坯最大直徑的1/2值。

圖5 粗銑型腔上、下部分

（3）粗銑側(cè)面部分（型腔銑上、下部分的剩余部分）（見圖6） 面銑首先要指定切削區(qū)域，然后給出毛坯距離、每刀切削深度和最終底面余量。

圖6 粗銑側(cè)面部分

4.5 半精銑外形

（1）固定軸銑基本“六大刀路” ①面銑：表面、底面銑。②平面銑：內(nèi)、外側(cè)面銑。③型腔銑：內(nèi)外腔的斜面銑，一般用于粗加工。④剩余銑：型腔銑后的半精加工，去除邊角等余量。⑤深度輪廓銑：側(cè)面等高銑，一般用于半精或精加工。⑥固定軸曲面輪廓銑：曲面的精銑。

（2）半精銑上、下部分和槽 半精銑時(shí)，留量0.25mm。非切削運(yùn)動(dòng)中進(jìn)刀采用“沿形狀斜線進(jìn)刀，斜度5°”的方法。刀具為φ8mm粗銑刀，進(jìn)給量t＝0.5mm/層，進(jìn)給速度vf＝1000mm/min，轉(zhuǎn)速n＝3000r/min。半精銑上、下部分選擇“剩余銑”功能；半精銑槽（見圖7）選擇“平面銑”功能。

圖7 半精銑槽

4.6 精銑外形

（1）精銑各部臺(tái)階側(cè)面（見圖8） 選擇多軸銑（可變軸輪廓銑）功能。關(guān)鍵選項(xiàng)如下：①幾何體為“各加工側(cè)面”。②驅(qū)動(dòng)方法為“流線”。③投影矢量為“朝向驅(qū)動(dòng)體”。④刀具為“φ8mm立銑刀”。⑤刀軸為“遠(yuǎn)離直線”。

圖8 精銑各部臺(tái)階側(cè)面

為便于編程，圖8中的兩耳部斷面被補(bǔ)平。投影矢量和刀軸有多種組合，上述為其中的一種，也表現(xiàn)出了四軸加工中心的加工特性。這樣能很好地加工處理凸臺(tái)的側(cè)面和與圓弧的結(jié)合部。

（2）精銑各部圓弧面 同樣選擇多軸銑（可變軸輪廓銑）功能。①創(chuàng)建檢查幾何體（見圖9）。一是為了防止刀具撞到卡盤和尾座；二是為了防止刀具銑傷各臺(tái)階的側(cè)面。② 創(chuàng)建曲面驅(qū)動(dòng)方法幾何體。創(chuàng)建曲面及刀路如圖10所示，曲面選擇創(chuàng)建的圓柱外表面，切削方向選擇箭頭的水平方向。圓弧面由立銑刀底面包絡(luò)而成，步距數(shù)越大，圓的圓度越高，表面粗糙度值越大；刀具直徑越大，所需的布距數(shù)越少。投影矢量與刀軸的選擇有多種，這里投影矢量為“刀軸”，刀軸為“遠(yuǎn)離直線”。

圖9 創(chuàng)建檢查幾何體

圖10 創(chuàng)建曲面及刀路

（3）精銑各部平面（見圖11） 選擇面銑功能。刀路方式有多種，這里選擇“往復(fù)”，其他面類似，但需注意刀軸的方向，一定要選擇“垂直于切削表面”或者通過選擇“矢量”確定刀軸方向。

圖11 精銑各部平面

4.7 精銑R2mm面

精銑R2mm面（見圖12）選擇固定軸曲面輪廓銑功能。需選擇R2mm曲面，驅(qū)動(dòng)方式選擇“區(qū)域銑削”，切削模式選擇“往復(fù)”，布距選擇“恒定”，最大距離給定0.1mm，刀軸方向選擇“指定矢量”。

圖12 精銑R2mm面

4.8 精銑有尺寸公差要求的面

圖13 為精銑有尺寸公差要求的面。一般一次不能達(dá)到尺寸要求，需要多次加工。需單獨(dú)創(chuàng)建程序，選擇刀具“補(bǔ)償功能”，便于操作人員現(xiàn)場調(diào)整加工尺寸。

圖13 精銑有尺寸公差要求的面

5 銑去工藝頭

圖14為銑工藝頭，選擇“等高銑”功能。為便于編程，需將工藝頭改為方形，選擇“混合銑”“深度優(yōu)先”，轉(zhuǎn)移類型選擇“直接”，切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速n＝3000r/min，進(jìn)給速度vf＝1500mm/min，進(jìn)給量t＝0.25mm/層。這樣能實(shí)現(xiàn)“輕切快跑”的加工理念，以防止工件變形。

圖14 銑工藝頭

6 車螺紋

圖15為車螺紋。自制專用堵頭，數(shù)控車床雙頂 裝夾工件。

圖15 車螺紋示意

7 銑槽

圖16為銑槽。銑圓弧表面槽需創(chuàng)建平面并將槽輪廓投影到平面，選擇平面銑，采用“輕切快跑”的方式，防止工件加工變形。

圖16 銑槽

8 結(jié)束語

上述加工案例若在普通設(shè)備上進(jìn)行，則需要制作很多工裝夾具，要花費(fèi)幾周時(shí)間，圓柱和凸臺(tái)間的圓弧面加工很難實(shí)現(xiàn)。而數(shù)控加工的制造時(shí)間僅需14h左右，且工件質(zhì)量完全滿足圖樣要求。