復雜異形零件的數控加工

楊衛軍，崔雅琴，吉紹勇

河北燕興機械有限公司 河北張家口 075041

1 序言

異形零件如果生產批量大，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用，且模具試制周期較長；如果生產批量小，或者產品處于開發過程中，不可能投入昂貴的模具進行成形加工，也沒有時間等待，若使用3D增材打印方法往往滿足不了零件的機械性能要求，因此，實用可行的還是采用機械加工去除材料的方法。以往多采用普通設備加工，不僅工序多，需要的夾具多，而且對操作人員的技能要求也高，結果導致產品開發周期漫長，開發成本高。

隨著數控設備的發展和普及，可以充分發揮數控設備的優勢，快速加工出復雜的異形零件。

2 異形零件加工工藝分析

圖1所示異形聯接體零件為某產品擊發系統的關鍵零件，材料為2A12-T4鋁合金。零件形狀復雜，編程及加工難度大。

圖1 異形聯接體零件

該零件直接由鋁棒加工成形，材料去除率高，工件容易產生變形。加工難點在于如何保證圓柱面和凸臺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，采用一夾一頂的裝夾方式，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，右端外圓階梯臺為工藝夾頭，內孔加工至成品尺寸，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

圖3為工件零點坐標圖。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，通過調整或修整自定心卡盤，將百分表針跳動控制在0.1mm之內，最后把頂尖鎖緊。

圖3 工件零點坐標

4.2 選擇刀具并確定刀具切削參數

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格3個方面綜合考慮選擇。

5）粗銑時切削參數遵循“淺切深、大切寬和多切快跑”的原則。

6）精銑時切削參數的選擇主要依據工件的表面粗糙度要求，一般來說，進給速度要低，吃刀量要大。

7）刀具的長度規格遵循“一寸長、一寸短”的相對論，刀具越短，剛性越高，切削越穩定。

根據以上原則，所選用的刀具規格及切削參數見表1。

表1 刀具規格及切削參數

4.3 UG8.0編程前的準備

（1）創建4個父節點 分別為創建程序（program）、創建刀具（tool）、創建幾何體（geometry）和創建方法（method）。

（2）創建工序（操作） ①3軸2聯動平面銑。②3軸2聯動型腔銑。③3軸2聯動固定軸曲面輪廓銑。④3～5軸聯動可變軸曲面輪廓銑（多軸銑）。

（3）創建幾何體（數模）策略 ①依據平面圖創建（調用）數模，注意平面圖中雙加或雙減的尺寸，一般要修改數模到圖樣中差實際尺寸，這樣便于操作者調整刀補值。②為便于刀路簡潔，有些斷續面需修改數模變成完整面。

4.4 粗銑外形

（1）創建工件幾何零點（見圖4） 一定要注意安全距離設定值，防止撞刀；機床坐標系設定一定要準確。

圖4 創建工件幾何零點

（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”改為“手動”，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、外側面銑。③型腔銑：內外腔的斜面銑，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，留量0.25mm。非切削運動中進刀采用“沿形狀斜線進刀，斜度5°”的方法。刀具為φ8mm粗銑刀，進給量t＝0.5mm/層，進給速度vf＝1000mm/min，轉速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）精銑各部臺階側面（見圖8） 選擇多軸銑（可變軸輪廓銑）功能。關鍵選項如下：①幾何體為“各加工側面”。②驅動方法為“流線”。③投影矢量為“朝向驅動體”。④刀具為“φ8mm立銑刀”。⑤刀軸為“遠離直線”。

圖8 精銑各部臺階側面

為便于編程，圖8中的兩耳部斷面被補平。投影矢量和刀軸有多種組合，上述為其中的一種，也表現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的側面和與圓弧的結合部。

（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階的側面。② 創建曲面驅動方法幾何體。創建曲面及刀路如圖10所示，曲面選擇創建的圓柱外表面，切削方向選擇箭頭的水平方向。圓弧面由立銑刀底面包絡而成，步距數越大，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“遠離直線”。

圖9 創建檢查幾何體

圖10 創建曲面及刀路

（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”，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，驅動方式選擇“區域銑削”，切削模式選擇“往復”，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。一般一次不能達到尺寸要求，需要多次加工。需單獨創建程序，選擇刀具“補償功能”，便于操作人員現場調整加工尺寸。

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”“深度優先”，轉移類型選擇“直接”，切削參數：轉速n＝3000r/min，進給速度vf＝1500mm/min，進給量t＝0.25mm/層。這樣能實現“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 結束語

上述加工案例若在普通設備上進行，則需要制作很多工裝夾具，要花費幾周時間，圓柱和凸臺間的圓弧面加工很難實現。而數控加工的制造時間僅需14h左右，且工件質量完全滿足圖樣要求。