薄壁框架類零件數控加工工藝

□ 陳方國

中國空空導彈研究院 河南洛陽 471009

1 工藝背景

薄壁框架類零件在機械加工中占有較大比例。在航空工業的發展過程中,薄壁框架類零件的加工一直是行業的難點問題。

筆者以支架和框架兩種類型薄壁框架類零件為例,分析零件的結構特點、工藝特點及零件變形的原因,提出高速銑技術的應用、刀具和切削參數的合理選擇、工裝夾具設計的改進,以及其它改進措施。

2 結構特點

薄壁框架類零件結構單薄、剛度差,不具備切削加工中所需的支撐強度和剛性,加工過程中易受切削力影響而產生變形,讓刀現象嚴重。

薄壁框架類零件結構復雜,加工要素多,有很多形位公差的要求。

受薄壁框架類零件結構影響,加工過程中的裝夾和定位較為困難。

薄壁框架類零件由于獨特的結構特點,在加工中容易產生變形和讓刀現象,導致加工后的尺寸超差嚴重。零件變形原因主要有四個方面。第一,受夾緊力的作用,零件產生裝夾變形。第二,受切削力的作用,零件內外壁在切削時產生偏讓,導致加工的薄壁厚度不一。零件壁越薄,偏讓越明顯,得到的零件表面質量就越差,尺寸偏差也就越大。第三,零件產生內應力變形。加工過程中,材料的去除破壞了材料內部的應力平衡,在加工結束卸去裝夾力之后,零件的內應力導致變形。第四,切削熱使零件產生熱變形。

3 工藝難點

薄壁框架類零件的加工要素一般都在加工中心上完成,不同結構形狀零件的加工方法和解決措施各不相同。筆者主要以兩種類型的薄壁框架類零件——支架和框架為例,進行分析。

支架材料為鋁合金,結構復雜,加工要素多,加工、檢驗較為困難,是科研生產任務的一個難點。支架結構如圖1所示。

圖1 支架結構

對支架的工藝難點進行分析。支架的尺寸精度要求較高,部分表面粗糙度Ra要求達到1.6 μm,其余為3.2 μm。支架周邊結構厚度僅為1.1±0.1 mm,最薄處只有0.5 mm,并且加工深度大,為32 mm,加工面積大,在加工時極易因振刀影響壁厚公差及表面粗糙度。由于支架上端腔體四周剛性差,因此支架在銑削中及銑削后都會產生較大變形,導致加工后各處壁厚尺寸相差較大。支架最大加工深度為32 mm,但是轉接圓弧半徑只有2 mm,轉接圓弧半徑與型腔深度之比為0.062 5,不滿足銑削的工藝性要求。支架加工過程中所用刀具直徑的選擇受到限制,導致使用的刀具剛性差,加工過程中讓刀現象嚴重,且刀具較長,加工過程中極易折斷。

框架屬于另一類薄壁框架類零件,上下端面貫通,與支架相比所能承受的壓緊力和切削力更小。框架結構如圖2所示。

圖2 框架結構

4 支架數控加工

針對數控銑削加工支架的難點,重點介紹支架的數控銑削精加工部分。支架的數控銑削精加工選擇數控機床為UCP710,機床主軸最高轉速為12 000 r/min。編程零點選擇在支架上表面的中心。

(1) 選擇合理的加工順序。先加工支架的上表面型腔,此時下面四個支柱剛性相對較好,加工中所產生的振動相對較小,有利于保證支架上端面的尺寸要求。后加工零件下部的四個腔體、支柱及分布在支柱周圍的七個連接凸耳。

(2) 采用較小直徑且刃數較少的銑刀進行加工,銑刀刃數以兩三刃為宜,可減小切削力,并合理安排半精加工和精加工余量。如果銑刀刃數較多,那么排屑不利,容易產生積屑瘤,導致切削力增大,使支架產生較大變形。

(3) 選擇合適的裝夾方式,防止和控制支架受夾緊力而變形。采用留夾頭裝夾的方法,使支架主體部位不受夾緊力的作用,以此減小支架因夾緊力作用而引起的變形。支架角向用對刀棒做角向定位。

(4) 采用短切削刃模式。在加工支架上端的型腔時,由于轉接半徑與深度比為0.062 5,遠小于0.2的合理比,加工時難度很大。對此,改制專用加長φ4 mm銑刀,將柄部及多余切削刃磨細0.1 mm,減小刀具與加工面的接觸面積,減小切削力,防止振刀。

(5) 采用高速銑技術,并合理選擇切削參數。對高速加工技術進行研究發現,高速銑與常規銑相比,單位功率下的金屬切除率提高30%～40%,切削力減小30%,刀具壽命延長70%,加工時滯留于零件的切削熱大幅度減小,切削引起的振動幾乎消失。國外統計數據表明,進給速度和切削速度提高15%～20%,制造成本可以降低10%～15%。高速銑可以縮短加工時間,提高產品質量。另外,切削載荷降低也有利于減小薄壁類零件在加工中所產生的切削變形,適用于薄壁類零件的加工。通過查閱相關技術資料,進行多次切削加工試驗,摸索出支架的高速銑削合理參數,見表1。以上參數在零件加工中得到了有效驗證,取得了良好效果。

表1 支架高速銑削參數

5 框架數控加工

框架與支架的不同點在于框架是上下貫通的,徑向無法受力,給裝夾帶來很大困難。以往的加工方法是數控銑削加工外輪廓和上端面,再加工側面孔。框架內腔采用線切割加工,加工時間長,粗糙度值大,定位裝夾困難,變形也較大。而且加工工序多,框架的周轉次數也較多,導致框架加工周期長。

通過對框架進行結構分析,改進的加工方案為在五軸數控機床上用一道數控銑削工序完成舊加工方案中包括線切割工序在內的三道工序所有尺寸的加工。根據框架的結構特點,設計了一套工裝,如圖3所示。

圖3 框架加工工裝

工裝底座采用平面定位方法,用三個螺釘固定毛坯,先加工框架外形,再加工框架側面的孔槽,然后機床程序設置暫停,使用特制壓板壓緊框架。壓板的內腔形狀與框架外形一致,兩者的配合間隙為0.02 mm。采用整體軸向壓緊方案,這樣既提高了框架的剛性,又使壓板的內壁對框架起到支撐作用,消除加工過程中的讓刀現象。

框架的高速銑加工方法和刀具參數設置與支架加工基本一致,采用切向進刀和螺旋下刀方法,保證穩定的切削條件。

6 數控加工程序

要編制出高質量的數控加工程序,需要充分利用機床的功能,將高速加工理念貫徹到加工程序中。薄壁框架類零件的數控加工程序編制要點有五條。

(1) 采用分層銑削編程方法,設置每層最大切深,分層加工,充分利用未切削部分作為零件最有力的支撐,以減小加工變形,提高刀具耐用度。

(2) 銑削采用順銑方式,減少加工中的拉刀現象,提高零件的表面質量。

(3) 在銑削內槽轉角之前設置較低的進給速度,使單位時間內的切削量保持恒定,避免在切削型腔轉角處時由于切削量的突然增大和主軸的慣性作用出現過切和刀具折斷現象。

(4) 內腔尺寸半精加工直接加工至圖紙尺寸,小直徑加長銑刀只起清角作用,這樣可以減小小直徑刀具的讓刀趨勢和振動。

(5) 合理安排零件的加工順序尤為重要,若加工順序錯誤,則將會給后續加工帶來諸多不利,甚至造成零件報廢。

7 刀具

要保證加工過程連續高效,必須要選用剛性好、耐磨、動平衡和排屑性能良好的銑刀,具體可選用整體超細晶粒硬質合金或粉末冶金高速鋼及其涂層刀具,選用原則一般有四條。

(1) 選用刃數為兩三刃的刀具為宜,因為刃數多,會導致排屑不利,容易產生積屑瘤,使切削力增大,導致零件產生較大變形。

(2) 粗加工及半精加工中大面積去除余量時,為提高加工效率,可選擇直徑相對較大的銑刀進行加工,加工余量的設置要均勻合理。

(3) 精加工內腔輪廓時,選擇的刀具尺寸要略小于零件型腔的最小轉角半徑,這樣有利于在轉角處形成圓滑的過度曲線,避免切削力在轉角處突然增大導致刀具折斷現象。

(4) 考慮到薄壁框架類零件幾何結構的特殊性,選取短切削刃刀具,刀具的切削刃直徑要略大于刀柄直徑,以減小被加工面與刀具的接觸面積,減小切削力,這樣可有效減小刀具和零件的振動。

8 冷卻潤滑

在高速銑削時,切削產生熱量的70%～80%被切屑帶走,5%左右傳導至零件上,20%左右的熱量被刀具吸收,所以要選擇冷卻性能好、冷卻液流速較快的冷卻方式。理論上最好采用油霧冷卻方式,但受設備限制,實際上采用濃度為5%的乳化液進行冷卻。乳化液的流速較快,冷卻效果較好,可以帶走大量切削熱量,消除零件的熱變形。

9 結束語

薄壁框架類零件是典型的難加工零件,要保證加工質量,需要利用高速切削技術,制訂合理的加工工藝路線,優化切削參數,設計合理的工裝夾具,改進加工刀具。在薄壁框架類零件的加工實踐中發現,采用高速切削技術,零件的加工周期至少可縮短為普通數控銑削加工的一半。改進合理的切削刀具,可以減小零件和刀具的振動,使零件表面質量達到圖紙要求。通過切削參數的調整,銑削深度的優化,可以減小零件內應力和零件變形。優化各部位的加工順序,可以有效減小零件的振動和加工變形。采用合理的工裝對零件裝夾、定位,有效合并加工工序,可以節省零件周轉次數,大大提高生產效率和零件質量。通過試制加工多個批次零件,經過檢測均滿足設計要求,保證了產品質量,同時為今后科研試制產品中的薄壁框架、超薄支架類零件加工技術的進一步提高積累了寶貴經驗。