超硬材料異形零件數(shù)控加工工藝改進(jìn)

韓利萍，周斌，陳龍，李鵬，李東

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 046012

1 序言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。超硬材料異形零件的加工尺寸精度、表面粗糙度以及幾何公差直接影響機(jī)構(gòu)傳動的性能指標(biāo)。由于這類零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高和幾何公差要求嚴(yán)的特性，所以加工過程中零件易變形，刀具磨損嚴(yán)重，關(guān)鍵特征幾何精度難以保證，其加工方法一直是困擾科研和生產(chǎn)的難題。本文將詳述通過設(shè)計(jì)拉緊定位工裝來解決裝夾問題，采用平面特征底齒軸向微量漸進(jìn)銑削和應(yīng)力釋放防變形技術(shù)，有效解決各種因素對精度造成的影響，確保了加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

超硬材料異形零件（見圖1）材料為自由鍛件，精加工前經(jīng)淬火處理后，硬度高達(dá)40～45HRC，屬于難加工材料。零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高和幾何公差要求嚴(yán)的特性，整體為不規(guī)則異形結(jié)構(gòu)，各個(gè)空間位置分布筋、槽、孔、階臺、圓弧和角度特征，其關(guān)鍵控制部分槽底相對于基準(zhǔn)孔距尺寸為103mm，零件總長為127mm，最薄筋厚度為10mm。各方向結(jié)構(gòu)特征相對于基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)軸線的尺寸精度和幾何公差具有嚴(yán)格的要求。熱處理后零件變形較大，零件孔與槽之間、孔與面之間以及面與面之間的幾何精度要求極嚴(yán)。

圖1 超硬材料異形零件示意

3 加工難點(diǎn)分析

零件目前是在五軸機(jī)床上采用通用夾具（平口鉗）裝夾其平整部位兩側(cè)（零件夾持部位底部留夾持余量），采用圓柱銑刀徑向切削模式加工。由于受切削力、夾緊力、切削熱和材料應(yīng)力釋放等綜合因素影響，因而加工質(zhì)量難以保證。分析該零件的加工難點(diǎn)，有以下幾方面。

1）零件裝夾過程中，工件被夾持部位需要平口鉗夾緊力作用進(jìn)行定位，各空間位置特征相對于基準(zhǔn)要素保持相對平衡狀態(tài)，零件在裝夾后產(chǎn)生微小變形的情況下，完成切削加工并達(dá)到精度要求。但是只要裝夾一松開，裝夾變形就會還原，變形難以避免，從而失去已達(dá)到的精度，各幾何精度發(fā)生漂移，無法達(dá)到精度要求。

2）零件淬火硬度高達(dá)40～45HRC，切削性能差。其關(guān)鍵被加工型面的尺寸精度≤0.02mm、對稱度≤0.05mm，切削過程中易產(chǎn)生粘刀和刀尖切削瘤等狀況，刀具易磨損，型面尺寸易加工漂移（漂移量≥0.02mm），對稱度≥0.15mm，從而破壞了零件被加工表面的幾何精度和表面粗糙度。這些綜合因素，導(dǎo)致型面尺寸精度和幾何精度不足。

3）加工過程中，由于材料硬度高，圓柱銑刀側(cè)刃切削時(shí)，徑向切削力使工件彎曲變形和產(chǎn)生加工時(shí)的振動，徑向切削力方向和主軸垂直方向產(chǎn)生微小錐度變形，施力部分釋放后零件發(fā)生彈性變形。同時(shí)刀具受刀具螺旋角影響而產(chǎn)生徑向拉力，發(fā)生微小彈性變形，各幾何精度發(fā)生漂移。銑刀懸長長徑比越長，則剛性越弱，造成特征尺寸偏差超過工藝要求公差帶。

4）零件金屬切除率較高，加工過程中去除余量不均勻會導(dǎo)致零件內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，零件產(chǎn)生變形，尤其是現(xiàn)階段采用通用夾具（平口鉗）裝夾定位方式，零件加工完成后的最后工步——去除零件夾持部位底部留夾持余量部位時(shí)，瞬間去除大量余量，造成殘余應(yīng)力局部釋放，零件各尺寸公差和幾何公差失去已達(dá)到的精度，各幾何精度發(fā)生漂移。

因此，現(xiàn)有工藝存在缺陷，需要改進(jìn)。

4 工藝解決方案

基于以上技術(shù)分析及思路，設(shè)計(jì)技術(shù)方案如下。

（1）制作拉緊定位工裝 零件加工部位較多，尺寸精度和幾何精度要求高，各空間結(jié)構(gòu)尺寸間關(guān)聯(lián)度較強(qiáng)，故在五軸加工機(jī)床上，采用工序集中、一次裝夾以及多部位加工的方式，更容易保證尺寸要求。工裝設(shè)計(jì)制作過程中綜合考慮五軸機(jī)床行程尺寸和擺動角度過程中刀具、工件和工裝的干涉碰撞因素。

1）制作拉緊定位工裝（見圖2），采取一面兩銷定位原則，在工裝頂部制作定位基準(zhǔn)面和工藝螺紋孔，在零件底部夾持部分制作對應(yīng)孔距和孔徑的內(nèi)螺紋孔，用螺釘聯(lián)接緊固，實(shí)現(xiàn)工件和工裝拉緊定位功能。

圖2 拉緊定位工裝

2）工裝工藝基準(zhǔn)面的工藝螺紋孔下部設(shè)計(jì)空間槽，實(shí)現(xiàn)擰緊螺釘?shù)氖┝臻g。

3）設(shè)計(jì)制作工裝斜面，實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)床擺頭組合角度時(shí)刀具、工件和工裝等工藝系統(tǒng)不發(fā)生干涉碰撞。

（2）零件底部被夾持部位加工凹槽 為避免異形零件加工完成后，在最后工步去除底部余量部位時(shí)，瞬間去除大量余量引起應(yīng)力釋放失衡，導(dǎo)致精度超差問題，在淬火工序之前，在零件底部工藝余量部位加工凹槽（見圖3），用于充分釋放底部夾持余量部位的殘余內(nèi)應(yīng)力，僅留下滿足拉緊定位部位（圖3箭頭所指部位），即可在凹槽槽底加工圓角，從而避免槽底尖角部位應(yīng)力集中而導(dǎo)致零件斷裂。

圖3 在零件底部工藝余量部位加工凹槽

（3）小直徑銑刀軸線微量漸進(jìn)銑削平面 精加工平面特征時(shí)，分配給各個(gè)型面余量很小且均衡，此時(shí)選用小直徑短刃銑刀底齒切削，銑刀剛性好，徑向切削分力較小，軸向切削分力平穩(wěn)，可有效消除側(cè)刃銑刀螺旋切削力對工件的徑向拉力影響。采用底齒微量漸進(jìn)銑削可使零件型面加工過程中逐步釋放內(nèi)應(yīng)力，使異形零件型面各尺寸公差和幾何精度的變化可控。銑刀切削參數(shù)見表1。

表1 銑刀切削參數(shù)

（4）工序安排遵循均勻去除余量原則 為控制材料應(yīng)力釋放不均勻產(chǎn)生的變形，除零件夾持部位底部留夾持部位余量外，其余部位加工工藝遵循均勻去除余量原則。

1）粗加工和半精加工時(shí)去除余量以提高加工效率為目的，選擇傳統(tǒng)加工方式，在通用夾具上裝夾，通過多次翻轉(zhuǎn)零件去除各部位余量。粗加工完成后留余量3mm，半精加工完成后留余量0.3mm。

2）精加工時(shí)選擇拉緊定位裝夾方式，借助五軸機(jī)床可實(shí)現(xiàn)五面加工功能，分步驟依次對各個(gè)型面進(jìn)行切削，切削余量依次遞減。

異形零件的五軸加工如圖4所示，圖5為加工工藝流程。

圖4 異形零件的五軸加工

圖5 加工工藝流程

5 結(jié)束語

超硬材料異形零件數(shù)控加工工藝改進(jìn)的創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）基于零件特征設(shè)計(jì)的拉緊定位技術(shù) 拉緊定位工裝改單面定位、雙面夾緊為一面拉緊定位，避免夾緊定位造成的彈性變形產(chǎn)生的誤差，實(shí)現(xiàn)零件一次裝夾、多空間部位加工，確保零件的對稱度公差要求。

（2）平面特征底齒軸向微量漸進(jìn)銑削技術(shù) 加工平面特征選用小直徑短刃銑刀，消除側(cè)刃銑刀螺旋切削力對工件的徑向拉力影響。微量漸進(jìn)銑削可使零件逐步釋放內(nèi)應(yīng)力，使異形零件的變形可控。

（3）應(yīng)力釋放防變形技術(shù) 基準(zhǔn)面預(yù)留裝夾工藝凸臺，并在工藝凸臺上開槽，充分釋放異形件內(nèi)應(yīng)力，使零件在自然狀態(tài)下進(jìn)行裝夾和加工。

在以上措施的綜合作用下，確保了超硬材料異形零件的質(zhì)量合格率，為類似產(chǎn)品的加工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。