某梁类零件的数字化加工

2012-02-20杨晓红

装备制造技术 2012年5期

杨晓红

（沈阳飞机工业集团有限公司，辽宁沈阳 110850）

某梁类零件，是某型飞机上典型的承力结构件，其功能要求严格，尺寸公差严格。以前该类似零件耳片加工，为常规加工，耳片位置按检夹检查，零件按检夹进行划线，由于常规加工靠常规工人的技术水平，生产效率低，劳动强度大，零件经常超差。本文针对此梁零件进行分析，制定了数字化加工方案，取得了较好的成果与效率。

1 零件简介

某梁零件为结构主要受力件，零件外廓尺寸：820 mm×100 mm×170 mm；零件材料为TA15M，来料为最终热处理退火状态，零件的毛料状态为模锻件。此零件尺寸公差繁多，形状和位置公差要求严格（见图 1）。

图1 某梁零件尺寸结构图

2 结构的工艺性分析

（1）利用数控立式铣床铣切典型槽腔结构时，内槽及缘板之间的内转接圆弧R常限制刀具的直径，如图2所示。

图2 典型槽腔结构铣削工艺性

一般来说，当R＜0.2 H（被加工轮廓面的最大高度），可以判定为零件的工艺性不好。对于此梁类零件 R=3 mm，H=92 mm；R=8 mm，H=68 mm；符合R＜0.2 H的条件，可判定零件的工艺性不好。

零件铣削面的槽底圆角或腹板与缘板相交处的圆角半径r也影响加工性（如图2所示）。当r越大，铣刀端刃铣切平面的能力越差，效率也越低；当r大到一定程度时，甚至必须用球头刀加工，这是应当尽量避免的。

因为铣刀与铣切平面接触的最大直径

d=D-2r（D为铣刀直径）

当D越大而r越小时，铣刀端刃铣削平面的面积越大，加工平面的能力越强，铣削工艺性当然也越好。有时候，当铣削的底面面积较大，底部圆弧r也较大时，不得不用两把r不同的铣刀（一把r小些，另一把r符合零件图）进行两次铣切。对于此零件的2耳片的槽口的宽度尺寸为14.6 H12，底R=3 mm，那么（D-2r）很小，此处加工的铣削工艺性不好。

（2）零件各加工面凹圆弧（R与r）过于零乱，造成在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题。如增加铣刀的规格，计划停车次数和对刀次数等，不但给编程带来许多麻烦，增加生产准备时间，而降低生产效率，而且也会因频繁换刀，增加了工件加工面上的接刀接差，而降低了表面品质。我们在数控加工时，要尽量减少铣刀的规格与换刀次数。

（3）加工过程中易变形，变形以翘曲、侧弯为主，扭曲为辅。变形不但容易使零件的形位公差超出图纸规定，而且在内形加工时，对于保证缘条和腹板厚度造成一定的难度。有装配协调要求的重要表面，其尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求较高，加工困难。见图 1 耳片槽口尺寸 21.6 H12、14.6 H12、24 H12，耳片槽口深为75 mm，87 H11槽口深度为92 mm，垂直度0.3 mm、平面度分别为0.3 mm。

由于零件槽口深，零件加工时很容易出现让刀，经常会出现上面的槽口尺寸已经加工到位，而下面的尺寸未加工到位，且此部位为装配区。并且配合区槽口尺寸的转接R为R 3 mm，且深度为92 mm，要想加工R 3 mm，加工难度很大。

另一方面，零件一侧基准孔与2耳片的距离很近，且零件的来料为模锻件，给加工该工艺孔增加了难度。耳片的位置公差要求严格，为（37.5±0.1）mm，耳片的位置加工正确，才能保证零件在装配过程中的正确。

3 工艺方案设计

3.1 机床的选择

根据零件的结构和特点，采用的是数控五立标立式铣床，加工除装配导孔和压套孔外的所有表面。

3.2 夹具的选择

专用夹具是根据零件的结构特点专门设计的夹具，具有结构合理、刚性强、装夹稳定可靠、操作方便、提高安装精度及装夹迅速等优点。由于此零件的批量较大，精度要求较高的关键性零件，选用专用夹具是非常必要的。此零件的加工我们选用了2套专用铣夹和2套钻模。

3.3 刀具的选择

刀具的选择原则：

（1）尽量减少刀具使用的数量；

（2）粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；

（3）先铣后钻；

（4）先进行腹板面精加工，后进行二维轮廓筋条精加工；

（5）选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。

根据上述原则选用的加工外形的刀具为Φ50 R 0.5立铣刀，内形选用的是Φ 40 R3立铣刀，补铣残余及转角选用的是Φ16 R3铣刀，2组耳片选用的是Φ12 R3立铣刀，4组耳片选用的是Φ16 R3立铣刀，零件的缘条高加工采用的是Φ30 R8立铣刀。

3.4 零件工序的安排

数控铣平面→数控钻基准孔→数控粗铣外形→数控粗铣内形→数控粗铣缘条高→数控精铣缘条高→数控精铣外形→数控精铣内形→零件翻面数控粗铣耳片高→数控精铣耳片高→数控粗铣耳片内形→数控粗铣零件内形→数控半精铣耳片内形→数控半精铣内形→数控精铣耳片内形→数控精铣内形→钻耳片上的装配孔→钻导孔→半成品检验→荧光检查前清洗→荧光检查→扩、铰耳片上的装配孔→成品检查→包装入库。

3.5 数控程序的编制

零件除耳片孔和装配孔外，均为数控加工，程序编制完全是利用CATIA软件来完成。

（1）容差分配原则。数控编程时，程编误差有原理误差、拟合误差、圆整误差。取拟合误差为加工误差的1/5～1/10，圆整误差由后置处理程序控制。数控加工时容差的分配原则，是采用零件偏差的中值加工。此零件的外形容差为精加工外形时按理论外形-0.1 mm进行编程。对于缘条壁厚尺寸公差（加工内形时按理论内形+0.1mm加工，以保证壁厚偏差为0。

（2）加工策略。零件加工路线采纳Pocketing和Profile Contouring铣削方式。Pocketing是用来进行凹槽加工，Profile Contouring是进行轮廓铣削加工，两者相结合，即可完成全部内形和外廓的机加。

为减少零件的变形，数控加工时采用分层切削，并且增加粗加工、半精加工、精加工程序，来减少零件在加工时产生的变形。

粗铣时，主要是以去除零件工艺余量为目的，径向排刀尽可能的大一些，轴向排刀根据刀具直径、刀具刀长、零件材料性能等确定，对于相同材质刀具，当切宽一定，直径越大下刀深越大，刀越长切深反而越小；半精加工及精加工时，要充分利用刃长切削，即加工时，采用径向分层方式，而轴向只要没超过刃长范围，就不必轴向分层。

铣削方式直接影响零件的加工品质及刀具寿命。机加采用顺铣加工，顺铣时刀具的震动小，切除材料厚度由厚变薄，避免在已加工表面冷硬层上的滑走过程，提高刀具的使用寿命，切屑容易折断，且不会粘在刀具上，避免粘刀，加工零件表面光洁度好；同时刀具后角磨损小，提高刀具寿命。

耳片的位置公差要求严格，（37.5±0.1）mm，且耳片槽口深为75 mm。如何保证耳片加工的正确性，我们采用将一侧耳片确定为加工和测量基准，在测量合格后，进行耳片槽口尺寸的加工，最后保证耳片的厚度。否则我们同时加工耳片槽口两侧，同时测量耳片槽口两侧的位置，又要同时保证槽口尺寸，会给加工带来很大的麻烦。

（3）切削参数的选择及优化。机加切削参数的设定，有两个基本原则：

一是大切深、低速度、小进给。这样对机床及刀具负荷都会很大，转角需要降速，零件加工过程中容易产生变形，机加效率较低。

二是小切深、高速度、大进给基本原则。俗称浅切快跑的加工方法，可以降低机床负荷，保护数控机床，降低切削力，减少加工应力，有利于减小零件加工中的变形；选用适合的刀具，通过优化数控程序，使数控加工达到无人工干预。

加工该零件采用这种方式：进刀进给速度设为300 mm/min，机加进给速度572 mm/min，退刀及空行程进给速度5 000 mm/min，在转角处不需降速，主轴转速1 500 r/min，刀具规格为Φ16 R3。

切削参数的选择和优化，一直是数字化制造需要解决的难题，其直接影响到零件的品质和加工效率。现在广泛采用的切削参数优化方法，是基于多目标约束的非线性规划。

数控切削中，切削参数指：

主轴转速n；

轴向切削深度ap；

径向切削宽度ae；

每转进给量f，

其中，切削深度和切削宽度按工艺数据库选取。

将n和f作为优化目标，建立最大金属切削率目标函数。通过vericut和matlab联合编程，结合数据库实现了切削参数优化。

3.6 后置处理

后置处理的目的，是形成数控指令文件。由于各种机床使用的控制系统不同，所以所用的数控指令文件的代码及格式也有所不同。为解决这个问题，软件通常设置一个后置处理文件。在进行后置处理时，应根据所选用的数控系统，调用其机床数据文件，运行数控编程系统提供的后置处理程序，将刀位原文件转换成适应该数控系统的加工程序。

3.7 数控程序的检验

随着VERICUT演示功能的不断强大，零件被切伤的几率很小。我们编制程序的宗旨，不只要确保程序完好无损，同时还要考虑刀具路径及机加顺序的合理性。VERICUT演示可以对程序进行切伤及残余检验，根据一些参数的设定，切伤及残余量可以用不同颜色来显示。VERICUT演示，可以用前置也可以用后置，检验时最好用后置程序演示，因为最终到达工段的程序是后置程序，这样可以避免中间环节出现错误导致的报废。

单靠VERICUT演示来检验程序是不够的，在VERICUT演示的同时，也要认真对原程序编制的合理性进行检验，很多时候VERICUT演示没有任何漏洞，但实际加工时还会出现各种各样的问题，如扎刀、打刀、带刀、颤刀、零件表面光度差等等。