Powermill针对异形航空管件的五轴编程与Vortex实际加工

鲍磊 余雁波

摘 要：提到异形航空管件，对于传统3轴、4轴加工中心做起来比较费劲，某些特殊的复杂特征基本上无法加工到位；传统方法是用精铸的方式，铸出复杂外形特征，再对局部一些有配合要求特征区域进行局部加工，对于完成后的产品来说，具有很好的刚性强度，避免了铸造过程中出现微小气孔，以及铸造后表面光洁度低下的情况，整体加工出来的管体内部光洁度比较高，运用在需要过气过液的场合时效果是精铸工艺无法比拟的。

关键词：异形航空管件；复杂外形特征；精铸；一体加工

中图分类号：TG659 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0005-03

Abstract： In view of the special-shaped aeronautical pipe fittings， it is quite difficult to make in the traditional 3-axis and 4-axis machining centers， and some special complex features are basically unable to be machined as required. The traditional method is to cast the complex shape features by means of precise casting； for the finished products， it has a good rigidity strength and avoids the appearance of tiny pores in the casting process and the low surface finish after casting. The finish of the inner part of the tube processed as a whole is relatively high， and the effect is incomparable to that of the precision casting process when it is used in the occasion when passing gas and liquid is needed.

Keywords： special-shaped aviation pipe fittings； complex shape features； precise casting； integrated processing

1 加工难点及现有设备情况

本论文以此产品作为加工对象，主要描述运用 Powermill 软件对该异形航空管件的一个加工实例，此航空管件外形结构复杂，内部管壁空间多处转折，遮挡严重，壁厚只有 3mm，属于薄壁零件，极易产生变形，选用的材料是 7075 铝合金棒料，直径为 Φ160X148mm，采用本单位奥地利 EMCO LM600五轴联动加工中心两次装夹完成，LM600 五轴加工中心弊端在于直径600mm的工作台，配的主轴头过大，在A轴摆-90°开粗过程中，主轴头后横梁部位和工作台非常容易发生碰撞干涉，该零件装夹方案选择非常关键，如果运用传统平口虎钳或是三爪卡盘装夹，对于该零件加工比较困难，发生干涉碰撞的地方非常多。

2 五轴加工特点及夹具重要性

大多数人认为五轴机加工范围非常大，只需一次装夹。除了装夹面，其他任何空间特征都可以加工出来，其实这个观点是错误的，五轴加工中心根据结构可以分出很多种类， 就拿常见的摇篮式AC结构来说，其實加工范围并不大，一旦五轴联动加工时，空间干涉性非常大，要么某些特征需要摆负角度时容易发生碰撞，换了加长刀柄避免了摆负角度但有可能又发生超程现象，这种鱼和熊掌不可兼得的情况随时发生，所以夹具设计与运用是一个非常重要的环节。曾经有位大师说过：“加工中心上最难的地方就在于如何把工件装夹上去，至于编程随便怎么编都可以把工件做出来”，这句话非常经典。

3 燕尾槽模块化夹具设计及特点

本人做了一套在五轴加工中干涉比较小的燕尾槽快换模块化夹具，该夹具第一部分为法兰盘基础板，第二部分为可拆卸的燕尾槽夹紧快换模块组成；类似德国LANG牌夹具的原理，第二部分可以根据所加工工件不同种类设计快换模块化夹具，安装在基础板上使用，非常方便；该夹具的特点：（1）模块化方便快换；（2）加工范围大减少空间遮挡干涉，提高机床加工范围，使机床可以摆某些极限负角度加工；（3）减少使用长刀柄现象，提高加工刚性，防止震动；（4）经济性，节约工件材料成本，相对传统夹具，工艺台留下的料头少，只有4mm的燕尾带，方便后续去除工艺台。

该夹具实际应用情况：

首先把 Φ160X148棒料压在工作台上，A轴摆-90°起来，加工一条宽34mm深4mm的燕尾带作为装夹在燕尾快换模块夹具上的工艺台使用，燕尾槽夹紧方案加工过程中，能够保证足够的刚性及夹持力度，并且留下的工艺台料头非常小，方便后续去除工艺台，经过实际切削，开粗飞面时用Φ53的4齿飞刀盘以S2600，F1400、ap=2mm、ae=25mm的参数切削起来比较轻快，并未产生震动现象，毛坯始终和夹具紧固结合在一起，没有出现毛坯被铣动的现象，可见燕尾夹紧方式是非常牢固的。

4 第一次装夹加工过程

4.1 Vortex旋风铣动态开粗

所有毛坯用飞刀盘把多余残料铣出平面后，运用Φ16 的3齿立铣刀对周身进行开粗去余量，在此要提到的是，本人用Φ16立铣刀开粗时，用了高性能Vortex旋风铣动态开粗，切深20mm、切宽3mm，进给 3200，整个过程基本保证刀具纯侧刃切削，切削轻快效率非常高，对刀具磨损很小，切屑成长条针状飞出，不像传统分层开粗那样产生碎状切屑，对刀尖起到良好保护作用。

4.2 管道内部特征加工分析

对于管道内部加工必须要在第一次装夹过程中全部完成，粗加工时本人不建议运用PM中现成的管道专用策略模块进行开粗，现成的管道粗加工模块虽然方便，属于傻瓜式编程，只需你填好参数，刀路完全自动帮你计算出来；但要注意的是，管道专用开粗模块里的刀具，只允许使用球头刀或是糖果铣刀，大家都知道，运用球头刀开粗时效率是比较低下的，本身球头刀切削过程中阻力就比较大，从而限制了行距不能给大，下切步距更不可能给深，否则刀具就会折断；而且该策略中刀轴控制是自动的，也就是不受人为控制，加工时机床随时处于五轴联动加工状态，对于旁观者感观上看起来，机床切削过程中随时扭来扭去，动作比较漂亮，比较炫技，但是对于加工效率来说非常低下，而且粗加工时管道内部余量比较多，联动开粗用到的还是球头刀，切削量不可能很大，机床随时处于联动状态，对于刚性也比较差。

4.3 管道内部定轴开粗

所以本人在编制开粗程序时并没有使用模块化策略，还是选用定轴方式进行开粗，选用残留模型粗加工方式，在机床A轴能摆的极限角度内定轴摆不同角度进行开粗，孔内后续的开粗过程不太划算运用Voretex动态开粗，因为后续余量比较小，而且孔壁陡峭区域特征比较多还是选用分层开粗要来的直接一点，刀路提刀会相对少得多。该产品最难加工的区域在于大管口弯折的区域，那里运用立铣刀（注：不用T型刀情况下）不论再摆什么角度，留下的残留余量是最大的。

另外要强调的是管道专用开粗策略，不是不建议用，能不用尽量不用，但对于像汽车发动机缸体内部那些弯管区域而言，无论你再如何摆不同角度，有些遮挡严重的地方，定轴开粗是不可能加工到位的，可以先用定轴方式把基本上能加工到的管道区域加工完，剩下残留的那些遮挡严重区域再选用管道专用开粗策略进行加工，这样效率会高得多。

4.4 管道内部五轴精加工

管道内部半精加工和精加工工序，用了Φ10的糖果铣刀配和热胀刀柄加工，为了获得更好的表面加工质量，最理想的刀路是能够顺着管壁连续不断的螺旋加工，这时候需要五轴联动切削，所以可以选用管道专用精加工策略——管道螺旋精加工，对于摇篮式AC结构的五轴关键不能让机床A轴超行程，需要根据机床实际情况对A轴进行限制，否则容易发生碰撞危险。

4.5 第一次装夹实际加工效果

实际精加工中留的余量合适，五轴联动切削过程较平稳，加工出来内壁表面光洁度很好。管道外部开粗后需要留下多一点余量给二次装夹工序进行后续加工，留太少余量会存在后续加工过程中，精加工无法加工出来的风险，本人曾经在做某个曲面较多的零件时就发生过因为周身只留了0.2～0.3mm余量，精加工后，工件表面出现大量开粗后的台阶型痕迹，这个根二次装夹所用到的夹具精确度有着必然关系。

5 第二次装夹加工过程

5.1 工艺及装夹方案的选择

第二次装夹主要完成的是管体外部特征加工，首要问题解决的还是装夹问题，工件在上一道工序中已经把管道内部和各管口外径及端面结合部位加工到位，管道外形曲面较多，壁厚较薄，想要靠外形定位装夹必然存在受力及与外形曲面特征贴合的情况，显然这种方案不太理想；所以考虑以管道底孔内壁与其端面结合的特征进行定位装夹是比较合理的，这样需要一个从内侧进行膨胀撑开，从内部抱紧底孔内壁的专用夹具，此夹具同样做成模块化快拆型，可以与法兰盘基础板相结合。（注意：为了提高装夹精度，內撑夹具底座中间的滑块定位槽和端面、径向特征最好专配在基础板上配着铣出来）。

5.2 外壁粗加工

这道工序主要加工外形，首先对外形剩下的残留余量进行开粗——二粗——半精加工，最后进行联动精加工；实际切削下来，二次装夹用到的这个内撑夹具，夹紧力度可靠，能够保证较高装夹精度，至于二次装夹对刀这个问题，可以设在夹具上，也可以设在工件上的某个特征，根据个人习惯合理选择。

5.3 管道外壁精加工

精加工过程中，在加工大管口外壁时，最理想的刀路是顺着大管壁外部螺旋绕着加工，但因为摇篮式AC结构五轴机床的特点，A轴只有正负120°的摆动范围，图中管口弯曲位置倒扣特征，导致A轴不允许摆太大负角度，还没摆到极限位置主轴头和工作台就发生了很大的干涉问题，所以只能拆分成前后两半区域进行联动编程，不过最终加工出来接刀效果还不错。

6 结束语

此航空管件最终加工完成后壁厚为3mm，加工过程主要阐述了工件的装夹工艺问题，及Powermill软件方便的五轴编程策略，安全的碰撞过切检查功能，完成后的产品表面光洁度比较好，根软件内部刀路算法及强大的点分布功能息息相关，本人能力有限，描述过程中若有不足之处方还请各位多多指正。

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