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民機粱類典型（xíng）零件的高效加工

2016-8-10 來源：沈陽（yáng）飛機工業(集團)有限公司作者：蘇豔孫樹（shù）強

摘要：文章介紹了在航空工業中高速切削的大量應用，當前以高速（sù）加工技術為代表新（xīn）的加工工（gōng）藝已經顯示很多的優點和強大（dà）的生命力,成為航空（kōng）製造技術（shù）提高加工效率和質量（liàng）、降低成本（běn）的主要途徑。高速加工不但可以成倍地提高生（shēng）產效率，還可進一（yī）步改善零件的加工精度和表麵質量，解決一些常規加工中難以解決的某些特（tè）殊材料（liào）的高效加工問題。以具體實（shí）例出發從機床、刀具、材料、數控編（biān）程、仿真檢查等方麵對高速加工的關鍵技術進行了（le）闡述。

關鍵詞：高速加工（gōng）；變形控（kòng）製；仿真檢查；高效加工

由於（yú）現代飛（fēi）機高性能的要求，其結構具有輕量化、薄壁化和整體化（huà）的（de）特點，並且為滿足飛機裝配以骨架零件為定位基準的要（yào）求，零件須實現精確加工，做到具有較高（gāo）的精度和表麵質量。肋零件是飛機上非常重要的結構件和受力（lì）件。肋零件由於其特殊的（de）零（líng）件結構及所使用（yòng）的材料等原因，在加工中易產（chǎn）生（shēng）較大變形，特別是需兩（liǎng）麵（miàn）加工的肋零件，數控精加工到（dào）位是非常困難的，高速加工則為肋零件的數控精加工提供了（le）保證。

1、高速切（qiē）削技術的（de）概述

高速切削機（jī）床是高速切削發展的首要條件。其主軸要求有很高的轉速、進給速度和加速度，機床結構應有很高的靜（jìng）、動剛度和優（yōu）良的力學性能。由於高速切削加工時存在離心（xīn）力和振（zhèn）動的影響，對刀具（jù）的幾何精度、裝夾重複定位精度、剛度和高速動平衡的安全（quán）可靠性有較高要（yào）求。目（mù）前應（yīng）用較多的（de）是HSK 高速刀（dāo）柄和熱脹冷縮緊固式刀柄。合適的CAM 編程軟件（jiàn）在高速切削中也（yě）是（shì）至關重要的。

高速切削的優點有：（1）隨切削速度提高，材料切除（chú）效率增加，大幅度提高加工（gōng）效率，降（jiàng）低加工成（chéng）本。（2）切削力減少，平均切削力可下降30%。這對降低高轉速（sù）主軸（zhóu）的功耗有明顯影響，並有利於低剛性和（hé）薄壁零件的（de）加工。（3）高（gāo）速切削采用小切深（shēn），大進給，使加工表麵（miàn）質量明顯提高。（4）高速（sù）切削90%以上切削熱隨切屑排出，加工工件的溫（wēn）升小，有利於（yú）降低工（gōng）件的熱變（biàn）形和（hé）減小加（jiā）工的（de）殘留內應力（lì）。（5）從切削動力學分析，機床轉速提（tí）高，使切削係統的工作頻率遠高於機床（chuáng）的低階固有頻率，這（zhè）有利於降低加工表麵粗糙度。（6）高速切削時，一般（bān）不使用切削（xuē）液，有利（lì）於環境保護。

2、零件分析

為了更加合理（lǐ）有效地控製加工方案的全過（guò）程，在零件工藝準備進行之前必須進行周密嚴謹的（de）零件分析，找（zhǎo）到影響零件加工的關鍵環節及難點所在。

2.1 零件典型結構特征

（1）雙麵肋零件。（2）零件一邊寬（最寬（kuān）216mm）一邊窄（最窄127mm），容易產生（shēng）側彎。（3）變角度外（wài）形（最大106.352°），一麵外（wài）形為開角，另一麵為閉角，且角度變化大。4）圖紙要求零件直邊外形平麵度0.2mm。（5）該零件為（wéi）關鍵件。

2.2 材料（liào）分析

零件材料為鋁合金擠壓型材，材料牌號：7B04 T6。該（gāi）合金屬於高強度鋁合金，與其他結構鋁合金相比具有最高（gāo）的強度性能（néng）。在靜載荷下，T6 狀態的合金對應（yīng）力集中（孔）的敏感性較低，在小半徑（jìng）彎曲或偏心（xīn）拉伸條件下，截麵過渡部位合（hé）金的靜強（qiáng）度下降。在厚度不（bú）大於75mm 情況下，力學性能：бb=510～590MPa；бp0.2=450～530MPa。

2.3 新工藝方案的分析與論證

零（líng）件整個加（jiā）工過程中，合理的工藝流程設計是十分重要的一個環節。工藝流程（chéng）設計主要從零件（jiàn）分析、加工過程（chéng）分析、工裝（包括刀具和量具）分析入手。高速切削加工對切削刀具、切削用（yòng）量、工藝方案、數控編程等方麵提出（chū）了新的要求。新工藝方案（àn）的製定要充分體現數（shù）控高速加工的優（yōu）越性，最終要實現的目（mù）標主要有：（1）控製變形（xíng）；（2）申請專用工裝銑夾；（3）數控加工一次（cì）到位；（4）選擇非對稱編程加工零件；（5）數控加（jiā）工程序優（yōu）化設計，運行時到達無人幹預（yù）狀態；（6）提高零件（jiàn）加工效率。

2.3.1 機床選擇

選用Y2K811 高速銑。機床Y2K811 參數：雙主軸頭，雙控製（zhì）機；控製係統：FIDIA C20；主軸最高轉速：28000r/min ；工作台尺寸：10000mm ×2200mm；A/C 角，A:+95/-110，C: ±200；主軸功率（lǜ）：42kw/h。

2.3.2 工藝裝備的選（xuǎn）擇

第（dì）一麵夾具選用真空平台。真（zhēn）空（kōng）吸附的同時，在周圍適當加壓壓板，以增強夾緊力。

真（zhēn）空吸附裝夾優點有:（1）零件放置平穩，裝夾後零件受力均勻（yún）。（2）方便零件找正。（3）真空吸附，有利於公差較小的薄壁腹板的尺寸保證。（4）裝卸迅速方便，可縮短輔（fǔ）助時間。（5）加工方便，零（líng）件加工區無障（zhàng）礙物限製加工（gōng）過程。

第二麵選用專用工裝進行裝（zhuāng）夾定位零件。

專用工裝裝夾優點有：（1）專用工裝確定壓板位置和數量，規範加工步驟，提高零件加工效率。（2）減少零件數控加工為躲避壓板的空行程走刀。

2.3.3 刀具（jù）的選擇與參數確定

刀具是（shì）高速切削（xuē）加工中最活躍的重要因素之一，在高速加工過程中要承（chéng）受高溫、高壓、摩擦（cā）、衝擊和振動等載荷，因此其硬度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性能和經濟性等基本性能是（shì）實現高速加（jiā）工的關鍵（jiàn）。本例選擇適合K811 數控機床的高速銑刀。

刀具參數（shù）確定原（yuán）則：（1）力與扭矩必須（xū）盡可能（néng）小；（2）小（xiǎo）切深ap，中等進給fz；（3）分層切削，高的進給速度vf；（4）高的加工比例時間，少的（de）非加工比例時間。

經過上述綜合分析對比確定刀具參數如表1。

表1 加工用刀具參數

2.3.4 工藝流程設計

分析可看出，控製變形是加工此（cǐ）零件的難點（diǎn），工藝流（liú）程設計應將變（biàn）形量控製到最低。

2.3.4.1 定位基準和程序坐（zuò）標原點的（de）選擇

零件第（dì）一麵加工定位基準為真空平台麵；數控程序原點選（xuǎn）擇（zé）為毛料相鄰兩直角邊和（hé）毛料底麵建（jiàn）立數控程序（xù）原點坐標係。

圖1 零件第（dì）一麵定位（wèi）孔示意（yì）圖

零件（jiàn）第二麵加工定位基準選擇“二孔一麵”。“二孔（kǒng）”零件兩個Φ12H12 基準孔，“一麵”零件底麵（miàn）。數控程序原點選擇（zé）：以基準孔2的中心和（hé）兩基準孔中心拉（lā）直線建立數控程序原點（diǎn）坐標係。

圖2 第二麵定位孔示意圖

2.3.4.2 工藝流程的主線

粗銑———校正———時效———半（bàn）精銑（xǐ）———校正———時效———精銑。

在粗加工、半精加工、精加工後一定要安排校正工序，同時必（bì）須要給予充分的自然時效，這兩個（gè）環節必不（bú）可少（shǎo），目的是（shì）消除其內（nèi）部大（dà）部分的殘餘應力，以（yǐ）利於後續加工。

2.3.4.3 加工中各環節的分析及加工過程中餘量的分配

粗銑:粗銑直邊緣（yuán）條和筋條內外形，留2mm 餘量。粗銑變角度緣條內外形，留3mm 餘量。

粗加工環節，零件從（cóng）毛坯狀（zhuàng）態過渡到初具雛形。此過程金屬去（qù）除率大，並因所使用材料的（de）加工性能，會產生很大的殘餘內應力，而殘餘內應力是引起零件變形的根本原因。在大量去除切削餘量時，要不對稱加（jiā）工，以（yǐ）達到消（xiāo）除毛料內應（yīng）力的作用。所以粗加（jiā）工的編程方法很重要（yào），合（hé）理的編程（chéng）方法會減小零件的（de）變形量。

半精銑：內、外形均留1mm 餘（yú）量，腹板到位。

安排半精銑工序（xù），一是因為零件材料是鋁合金擠壓型材，加工性能亞於板材（cái）；二（èr）是因（yīn）為半精銑（xǐ）中逐（zhú）漸去（qù）除餘（yú）量會逐漸減小零件的殘餘內應力，對控製變形十分有利（lì）是非常（cháng）有好處的。半精（jīng）銑後留1mm 餘量，主要是考慮到零件結構一頭寬一頭窄，加工時容易產生（shēng）側彎，校（xiào）正很難消（xiāo）除零件側彎變形，需給（gěi）精加工留有足夠的餘量。精（jīng）銑：緣條、筋條厚（hòu）度到位。

精銑金屬去除率較低，主（zhǔ）要任務就（jiù）是保證零件外緣及壁厚。

2.4 數控程序的（de）編（biān）製

前文提過高速銑削加工對數控編程係統的要求越來越高，這（zhè）裏采用CATIA 軟件，此軟件容量大、處理能力強。

高速切削編（biān）程首（shǒu）先要注意加工方法的安全性和有效性（xìng），其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩，這會直接影（yǐng）響加工質量和機床主軸等零件（jiàn）的壽命，最後，要盡（jìn）量使刀具載荷均勻（yún），這會直接影（yǐng）響（xiǎng）刀具（jù）的壽命，為此采用了如下措施：

（1）采用順銑方式進行（háng）分層銑削；

（2）路徑規劃，以及粗（cū）加工、半精加工、精加工的編程策略；

（3）避免刀具軌跡走（zǒu）刀方向（xiàng）的（de）突（tū）然變化，保持刀具軌跡（jì）平穩，避免突然加速或減速；

（4）下刀或行間過度部分采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂（chuí）直下刀直接接近工件材料；

（5）刀具軌跡編輯優化，避免多餘空刀；

（6）粗加工不（bú）是簡單的（de）去除材料，要注意保證本工序和後續工（gōng）序加（jiā）工餘（yú）量均勻；

（7）在切削量大的地方，比如轉（zhuǎn）角前後，降低走刀（dāo）速度，使加（jiā）工平穩，單位時間內的切削量保持恒定（K811 數控機床本身具備轉角降速功能，這裏（lǐ）無須設置。）；

（8）盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；

（9）程序分層、進給速度、切削寬度、切削深度均嚴（yán）格按照刀具參數設定（dìng），另外為了（le）避免轉角餘量過大、餘量不均勻（yún）特意（yì）增加半精銑清轉（zhuǎn）角程序，並將小（xiǎo）刀修（xiū）腹板殘留（liú）放在精銑內形（xíng）後麵，防止產生幹涉；

（10）程（chéng）序開頭：①粗加（jiā）工，加指令G302；②精加工，加指（zhǐ）令G301或G304。

3、結論

高速加工（gōng）技術是世界範（fàn）圍內倍受關注的前沿技術，它將（jiāng）極大地促進加工效率的提高和產品品質的改善。目（mù）前數控加工廠高速加工（gōng）技術主要用在壁板類零件（jiàn）的加工上，而型材、模鍛件和鑄件零件的（de）高速加工技術還在（zài）探索之中（zhōng）。文章為粱類零件的（de）高效加工增加了寶貴經驗。

參考（kǎo）文獻

[1] 何永利.鋁合金高速切削表麵粗糙度的實驗（yàn）研究[J]. 機械設計與（yǔ）製造,2006(1).

[2] 賈秀傑.鋁合金高速銑削過（guò）程切屑成形機製（zhì）研究[J].輕合金加工技術,2009(7).

[3] 艾興. 高速切削加工技術[M].北京:國防工業出版社,2003,10.

[4] 王先逵.機械製（zhì）造工藝學[M].北京:機械工業出版社,2013,6.

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