民機粱類典型零件的高效加工
2016-8-10 來源：沈陽飛機工業(集團)有限公司 作者：蘇艷 孫樹強
摘要：文章介紹了在航空工業中高速切削的大量應用，當前以高速加工技術為代表新的加工工藝已經顯示很多的優點和強大的生命力,成為航空制造技術提高加工效率和質量、降低成本的主要途徑。高速加工不但可以成倍地提高生產效率，還可進一步改善零件的加工精度和表面質量，解決一些常規加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題。以具體實例出發從機床、刀具、材料、數控編程、仿真檢查等方面對高速加工的關鍵技術進行了闡述。
關鍵詞：高速加工；變形控制；仿真檢查；高效加工
由于現代飛機高性能的要求，其結構具有輕量化、薄壁化和整體化的特點，并且為滿足飛機裝配以骨架零件為定位基準的要求，零件須實現精確加工，做到具有較高的精度和表面質量。肋零件是飛機上非常重要的結構件和受力件。肋零件由于其特殊的零件結構及所使用的材料等原因，在加工中易產生較大變形，特別是需兩面加工的肋零件，數控精加工到位是非常困難的，高速加工則為肋零件的數控精加工提供了保證。
1、高速切削技術的概述
高速切削機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、動剛度和優良的力學性能。由于高速切削加工時存在離心力和振動的影響，對刀具的幾何精度、裝夾重復定位精度、剛度和高速動平衡的安全可靠性有較高要求。目前應用較多的是HSK 高速刀柄和熱脹冷縮緊固式刀柄。合適的CAM 編程軟件在高速切削中也是至關重要的。
高速切削的優點有：（1）隨切削速度提高，材料切除效率增加，大幅度提高加工效率，降低加工成本。（2）切削力減少，平均切削力可下降30%。這對降低高轉速主軸的功耗有明顯影響，并有利于低剛性和薄壁零件的加工。（3）高速切削采用小切深，大進給，使加工表面質量明顯提高。（4）高速切削90%以上切削熱隨切屑排出，加工工件的溫升小，有利于降低工件的熱變形和減小加工的殘留內應力。（5）從切削動力學分析，機床轉速提高，使切削系統的工作頻率遠高于機床的低階固有頻率，這有利于降低加工表面粗糙度。（6）高速切削時，一般不使用切削液，有利于環境保護。
2、零件分析
為了更加合理有效地控制加工方案的全過程，在零件工藝準備進行之前必須進行周密嚴謹的零件分析，找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）雙面肋零件。（2）零件一邊寬（最寬216mm）一邊窄（最窄127mm），容易產生側彎。（3）變角度外形（最大106.352°），一面外形為開角，另一面為閉角，且角度變化大。4）圖紙要求零件直邊外形平面度0.2mm。（5）該零件為關鍵件。
2.2 材料分析
零件材料為鋁合金擠壓型材，材料牌號：7B04 T6。該合金屬于高強度鋁合金，與其他結構鋁合金相比具有最高的強度性能。在靜載荷下，T6 狀態的合金對應力集中（孔）的敏感性較低，在小半徑彎曲或偏心拉伸條件下，截面過渡部位合金的靜強度下降。在厚度不大于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
零件整個加工過程中，合理的工藝流程設計是十分重要的一個環節。工藝流程設計主要從零件分析、加工過程分析、工裝（包括刀具和量具）分析入手。高速切削加工對切削刀具、切削用量、工藝方案、數控編程等方面提出了新的要求。新工藝方案的制定要充分體現數控高速加工的優越性，最終要實現的目標主要有：（1） 控制變形；（2）申請專用工裝銑夾；（3）數控加工一次到位；（4）選擇非對稱編程加工零件；（5）數控加工程序優化設計，運行時到達無人干預狀態；（6）提高零件加工效率。
2.3.1 機床選擇
選用Y2K811 高速銑。機床Y2K811 參數：雙主軸頭，雙控制機；控制系統：FIDIA C20；主軸最高轉速：28000r/min ；工作臺尺寸：10000mm ×2200mm；A/C 角，A:+95/-110，C: ±200； 主軸功率：42kw/h。
2.3.2 工藝裝備的選擇
第一面夾具選用真空平臺。真空吸附的同時，在周圍適當加壓壓板，以增強夾緊力。
真空吸附裝夾優點有:（1）零件放置平穩，裝夾后零件受力均勻。（2）方便零件找正。（3）真空吸附，有利于公差較小的薄壁腹板的尺寸保證。（4）裝卸迅速方便，可縮短輔助時間。（5）加工方便，零件加工區無障礙物限制加工過程。
第二面選用專用工裝進行裝夾定位零件。
專用工裝裝夾優點有：（1）專用工裝確定壓板位置和數量，規范加工步驟，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 刀具的選擇與參數確定
刀具是高速切削加工中最活躍的重要因素之一，在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，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實現高速加工的關鍵。本例選擇適合K811 數控機床的高速銑刀。
刀具參數確定原則：（1）力與扭矩必須盡可能??；（2）小切深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，控制變形是加工此零件的難點，工藝流程設計應將變形量控制到最低。
2.3.4.1 定位基準和程序坐標原點的選擇
零件第一面加工定位基準為真空平臺面；數控程序原點選擇為毛料相鄰兩直角邊和毛料底面建立數控程序原點坐標系。
圖1 零件第一面定位孔示意圖
零件第二面加工定位基準選擇“二孔一面”。“二孔”零件兩個Φ12H12 基準孔，“一面”零件底面。數控程序原點選擇：以基準孔2的中心和兩基準孔中心拉直線建立數控程序原點坐標系。
圖2 第二面定位孔示意圖
2.3.4.2 工藝流程的主線
粗銑———校正———時效———半精銑———校正———時效———精銑。
在粗加工、半精加工、精加工后一定要安排校正工序，同時必須要給予充分的自然時效，這兩個環節必不可少，目的是消除其內部大部分的殘余應力，以利于后續加工。
2.3.4.3 加工中各環節的分析及加工過程中余量的分配
粗銑:粗銑直邊緣條和筋條內外形，留2mm 余量。粗銑變角度緣條內外形，留3mm 余量。
粗加工環節，零件從毛坯狀態過渡到初具雛形。此過程金屬去除率大，并因所使用材料的加工性能，會產生很大的殘余內應力，而殘余內應力是引起零件變形的根本原因。在大量去除切削余量時，要不對稱加工，以達到消除毛料內應力的作用。所以粗加工的編程方法很重要，合理的編程方法會減小零件的變形量。
半精銑：內、外形均留1mm 余量，腹板到位。
安排半精銑工序，一是因為零件材料是鋁合金擠壓型材，加工性能亞于板材；二是因為半精銑中逐漸去除余量會逐漸減小零件的殘余內應力，對控制變形十分有利是非常有好處的。半精銑后留1mm 余量，主要是考慮到零件結構一頭寬一頭窄，加工時容易產生側彎，校正很難消除零件側彎變形，需給精加工留有足夠的余量。精銑：緣條、筋條厚度到位。
精銑金屬去除率較低，主要任務就是保證零件外緣及壁厚。
2.4 數控程序的編制
前文提過高速銑削加工對數控編程系統的要求越來越高，這里采用CATIA 軟件，此軟件容量大、處理能力強。
高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性，其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命，最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命，為此采用了如下措施：
（1）采用順銑方式進行分層銑削；
（2）路徑規劃，以及粗加工、半精加工、精加工的編程策略；
（3）避免刀具軌跡走刀方向的突然變化，保持刀具軌跡平穩，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，避免垂直下刀直接接近工件材料；
（5）刀具軌跡編輯優化，避免多余空刀；
（6）粗加工不是簡單的去除材料，要注意保證本工序和后續工序加工余量均勻；
（7）在切削量大的地方，比如轉角前后，降低走刀速度，使加工平穩，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，這里無須設置。）；
（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、切削深度均嚴格按照刀具參數設定，另外為了避免轉角余量過大、余量不均勻特意增加半精銑清轉角程序，并將小刀修腹板殘留放在精銑內形后面，防止產生干涉；
（10）程序開頭：①粗加工，加指令G302；②精加工，加指令G301或G304。
3、結論
高速加工技術是世界范圍內倍受關注的前沿技術，它將極大地促進加工效率的提高和產品品質的改善。目前數控加工廠高速加工技術主要用在壁板類零件的加工上，而型材、模鍛件和鑄件零件的高速加工技術還在探索之中。文章為粱類零件的高效加工增加了寶貴經驗。
參考文獻
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[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.機械制造工藝學[M].北京:機械工業出版社,2013,6.
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