薄壁鏤空零件高速銑削加工技術(shù)研究*

陳 博 田 斐柴回歸

（1.西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心 西安 710048）（2.西安思源學(xué)院 西安 710038）（3.西安精雕精密機(jī)械工程有限公司 西安 710100）

1 引言

薄壁零件由于具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船、兵器等領(lǐng)域。然而壁厚薄、剛性差、材料去除率高、受力形式復(fù)雜等特點(diǎn)，又使得薄壁零件的實(shí)際加工過程存在著變形、失穩(wěn)、振動等問題［1～2］。目前對于薄壁零件的加工主要在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，從零件的粗加工到半精加工再到精加工，技術(shù)人員需要不斷檢測工件的尺寸變化并及時(shí)對變形量進(jìn)行修正，這嚴(yán)重的影響到了此類零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。高速切削技術(shù)（High Speed Machining，HSM）是一種采用高主軸轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給速度、小吃刀深度進(jìn)行加工的先進(jìn)制造技術(shù)［3］。與傳統(tǒng)加工方式相比，HSM對于零件的材料去除率提升了30%～40%，切削力下降了30%，刀具壽命延長了70%，留于加工表面的切削熱和低階振動顯著度下降，這為薄壁類零件的優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定加工提供了新的選擇［4～5］。

本研究針對薄壁零件的難加工問題，以某型艦載設(shè)備光電裝置的薄壁鏤空轉(zhuǎn)接件為例，在分析零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套適合薄壁類零件小批量生產(chǎn)的高速數(shù)控銑削加工方法。該方法基于SurfMill9.0軟件，具體研究了裝夾方案、刀具選擇、加工策略、刀路設(shè)計(jì)、在機(jī)測量等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對于研究薄壁類零件的高速數(shù)控銑削加工技術(shù)，提升企業(yè)生產(chǎn)效率具有一定的參考意義。

2 薄壁鏤空零件加工工藝分析

2.1 零件的加工工藝難點(diǎn)

要加工的零件如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)呈薄壁鏤空筒狀，材質(zhì)為7075鋁合金，壁厚介于1.6mm～5.5mm之間。零件外壁由4個鏤空區(qū)域，2個Φ4孔的凸臺，1個六邊形凹槽，2個M3的螺紋孔，頂部圓角曲面以及外圓柱面構(gòu)成；內(nèi)壁由兩相鄰鏤空區(qū)域之間的連接曲面，1個帶R1圓角的倒扣以及內(nèi)圓柱面構(gòu)成，具有內(nèi)外薄壁形狀復(fù)雜、鏤空區(qū)域面積大、壁厚不均勻等特點(diǎn)。

通過對零件圖紙的分析，可以發(fā)現(xiàn)該零件的加工難點(diǎn)主要在于：1）鏤空區(qū)域的側(cè)壁形狀較為復(fù)雜，在制定加工方案時(shí)具有一定的工藝難度；2）帶R1圓角的倒扣位于薄壁內(nèi)側(cè)，在編制刀具路徑時(shí)，要合理的控制刀軸方向以避免刀具與工件之間發(fā)生碰撞、干涉等問題［6］；3）零件的整體剛性較差，當(dāng)工件受到夾緊力、切削力、切削熱的共同作用時(shí)，容易出現(xiàn)變形、失穩(wěn)、振動等問題。

2.2 加工工藝分析

1）加工設(shè)備及編程軟件：由于零件的結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，故加工設(shè)備選擇帶有A/C軸旋轉(zhuǎn)工作臺的GR400T型五軸聯(lián)動高速加工中心；編程軟件選擇SurfMill9.0。

2）毛坯與夾具設(shè)計(jì)：根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場條件，選擇精車過的Φ40×50mm的7075棒料作為毛坯；遵循工序集中和基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，設(shè)計(jì)如圖2所示的零點(diǎn)快換與精密機(jī)用平口鉗相結(jié)合的組合式夾具。為了使工件受到的夾緊力更加均勻，避免形位變化對加工精度的影響，在平口鉗的鉗口處固定1支帶有V型槽的輔助塊以增加工件與夾具之間的有效接觸面積。

圖2 組合式夾具

3）切削刀具：為了保證排屑順暢，防止積屑瘤對切削質(zhì)量的影響，選擇螺旋角度較大且刃口鋒利的整體硬質(zhì)合金刀具，在鋁合金專用切削液的冷卻、潤滑下進(jìn)行加工［7～8］。

4）加工策略：粗加工按照“少吃快跑”的原則設(shè)置切削參數(shù)。由于高速銑削所產(chǎn)生的切削力、切削溫度、加工變形均低于傳統(tǒng)銑削方式，因此不安排專門的半精加工。若經(jīng)粗加工之后的工件局部仍存在著較多的余量，則使用小刀具通過余量銑削法進(jìn)行專門加工［9～10］。零件的加工工序如表1所示，所有刀具路徑的設(shè)計(jì)基于Surf Mill9.0所提供的加工策略模板完成。

3 刀具路徑設(shè)計(jì)與數(shù)控編程

3.1 零件外壁的加工

先使用3軸加工模式對毛坯外壁輪廓以及頂部的圓角曲面進(jìn)行粗、精加工；再將工件繞X軸旋轉(zhuǎn)90°，采用四軸定位加工模式完成外壁表面所有孔、螺紋以及六邊形凹槽的加工；最后使用X/Y/Z/C軸聯(lián)動的四軸旋轉(zhuǎn)加工模式完成外壁底部輪廓曲面的粗、精加工。

3.2 鏤空區(qū)域的加工

在加工鏤空區(qū)域之前，先完成零件內(nèi)壁輪廓的粗、精加工。由于零件的壁厚較薄且鏤空區(qū)域的側(cè)壁形狀比較復(fù)雜，若是以單個鏤空區(qū)域作為研究對象，則需要用到4次四軸旋轉(zhuǎn)加工，不僅編程難度大還會使工件在加工過程中的受力情況變得更加復(fù)雜，進(jìn)而產(chǎn)生更多的加工變形問題。如圖3所示，如果將4個鏤空區(qū)域放在一起研究，則可以將其側(cè)壁劃分為2組不同走向的曲面，此時(shí)工作臺僅需要2次旋轉(zhuǎn)定位，即可完成4個鏤空區(qū)域的全部加工，這樣不但能夠降低編程難度還能大幅提升生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。分組后加工鏤空區(qū)域的刀具路徑如圖4所示。

圖3 側(cè)壁走向

圖4 鏤空區(qū)域刀路

3.3 倒扣加工

倒扣類零件由于存在負(fù)角型面，而無法使用普通刀具直接進(jìn)行3軸銑削，傳統(tǒng)方法是借助糖果銑刀、燕尾銑刀、T型銑刀等成型刀具，自上而下，采用分層銑削的方式進(jìn)行加工［11］。如圖5所示，要加工的倒扣由1個向內(nèi)傾斜15°的負(fù)角斜面和1個R1的圓角構(gòu)成。由于圓角曲面較小，受成型刀具尺寸以及切削參數(shù)的影響，3軸銑削加工容易在斜面與圓角之間產(chǎn)生過切或加工刀路不連續(xù)的缺陷。若采用五軸加工，則刀軸角度可以自由調(diào)整，無需借助成型刀具即可加工出表面光滑的復(fù)雜曲面。選擇五軸曲線加工命令，設(shè)置刀軸控制方式為自動，前、側(cè)傾角度均為0°，角度最大增量為3°，采用分層切削的走刀方式進(jìn)行加工。為了避免五軸加工過程中因干涉所引起的撞刀問題，還要合理的設(shè)置進(jìn)、退刀方式和切入、切出路徑。倒扣曲面的刀具路徑如圖6所示。

圖5 倒扣斜面

圖6 倒扣刀路

3.4 刀路驗(yàn)證

為了預(yù)防因程序錯誤而引發(fā)的碰撞、干涉、過切等安全問題，必須借助仿真軟件對所有刀具路徑進(jìn)行仿真驗(yàn)證［12］。首先在SurfMill 9.0軟件的過切檢查模塊中設(shè)置刀柄碰撞間隙為1mm，刀桿碰撞間隙為0.5mm，通過模擬加工前后的模型對比分析，來判斷刀具路徑是否存在過切問題。其次在軟件的機(jī)床庫中調(diào)用GR400T型五軸加工中心模型，待調(diào)整好機(jī)床、夾具、毛坯的相對位置關(guān)系后，按照表1所示的工序安排對所有刀具路徑進(jìn)行加工仿真。仿真過程如圖7所示，過切檢查與仿真驗(yàn)證結(jié)果均顯示未發(fā)現(xiàn)異常情況，說明所有刀具路徑及加工過程安全、可靠，可以調(diào)用專用后處理快速輸出NC程序。

圖7 加工仿真

4 薄壁鏤空零件高速銑削加工

在上機(jī)加工前，利用在機(jī)測量與自動擺正技術(shù)減少機(jī)床、夾具、工件之間的安裝、定位誤差［13］。進(jìn)入SurfMill 9.0軟件的在機(jī)測量模塊，如圖8所示，先使用平面元素檢測命令在棒料毛坯的頂端均勻的布置9個探測點(diǎn)，再使用圓柱元素檢測命令圍繞毛坯棒料的側(cè)壁均勻的布置8個探測點(diǎn)。設(shè)置探針與毛坯的接近距離為10mm，回退距離為0.3mm。為了確保所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，探針先以500mmpm的速度搜索并接近探測點(diǎn)，待探針與毛坯的距離到達(dá)接近距離時(shí)，再以30mmpm的速度進(jìn)行探測，每個探測點(diǎn)測量2次，結(jié)果取其平均值。待測量工作結(jié)束后，機(jī)床系統(tǒng)將依據(jù)所測數(shù)據(jù)，自動計(jì)算出工作臺擺正所需的A/C軸旋轉(zhuǎn)角度以及X/Y/Z軸的加工零點(diǎn)坐標(biāo)。上機(jī)加工出的薄壁鏤空零件如圖9所示，經(jīng)三坐標(biāo)測量，該零件的表面粗糙度以及尺寸精度均滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

圖8 探測點(diǎn)與探測軌跡

圖9 薄壁鏤空零件

5 結(jié)語

在分析薄壁鏤空零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，編制了該零件的高速數(shù)控銑削加工工藝；按照工藝安排，基于SurfMill9.0軟件，進(jìn)行了刀具路徑設(shè)計(jì)并輸出了安全、可靠的NC加工程序；在上機(jī)加工之前，引入了在機(jī)測量與自動擺正技術(shù)，減少了工件的安裝、定位誤差。生產(chǎn)實(shí)踐表明：使用該方法加工出的薄壁鏤空零件加工變形小、尺寸精度好、生產(chǎn)效率高，對于研究不同種類薄壁零件的高速數(shù)控銑削加工技術(shù)具有一定的借鑒價(jià)值。