某异形钩子零件快速加工工艺研究

2021-01-22邓文星宋燕林闫佳佳张恒冯奎兵

机械工程师 2021年1期

邓文星，宋燕林，闫佳佳，张恒，冯奎兵

（山西航天清华装备有限责任公司工艺处，山西长治046012）

0 引言

某钩子形状复杂，不易装夹，尺寸、轮廓同轴度等精度要求较高，尺寸精度不容易保证且批量较大，一直是公司加工中的“瓶颈”问题。其三维模型如图1所示。该件材料为低温合金钢，40Cr 锻件，调质硬度为38～40 HRC。此工件结构较复杂、加工面较多、技术要求高、机械加工量大[1]。本文选取主要加工面为A、B、C 作为研究对象。

1 工艺方案设计

1.1 加工分析

图1 零件三维模型

根据数控加工一次装卡尽可能完成多个轮廓的原则[2]：因A面轮廓要素较多，所以首先加工A面，在A面加工完成后，在设备上通过测头直接检测中间φ20孔公差，尺寸合格后方可下货，不合格则补加工。加工完成A面后，对B面加工时，因为已经加工完成的面是异形面，无法采用传统方式装夹，此时需要设计制作一套由左、右两个工装组成的专用工装，用于固定已加工好的A面，先将左、右两工装进行脱模分解，将产品放入工装中，用虎钳夹紧，然后采用机床测头进行自动对刀找正，保证两个孔位同轴度。加工C面时采用工装定位后，在机床自动对刀找正，对产品根部进行清角，保证尺寸精度。

1.2 刀具选择

粗铣加工时期望提高材料去除率，常用刀具为方肩铣，常用铣削刀路如图2所示。因其采用大切深大切宽来满足材料去除率的要求，所以加工效率高[3]。然而，对此产品进行开粗时，因材料硬度较高，采用方肩铣加工时，易导致刀具和工件接触时间长、切削温升快、刀具颤动大，加工过程不稳定，进而影响刀具使用寿命，增加刀具成本和降低加工效率，因此不选用该类型刀具进行开粗。

图2 常用铣削刀路轨迹图

为攻克技术难关，攻关团队主动摒弃传统加工方法，采用刀具成本较低的高速铣削刀具进行开粗，并在德玛吉DMU125P五轴加工中心采用VORTEX旋风铣加工[4]。该方法加工过程中刀具包角一直处于较小的状态，刀具负载在每一个摆线循环中都经历了从小到大然后再变小的过程，不会出现刀具负载的突变，从而可以有效减少刀具的颤动、磨损。在每一次刀具公转走刀循环过程中，都包含了切削过程和非切削过程，处于切削状态的时间较少，径向的切削宽度从零开始逐渐增加到最大，然后再逐渐减小到零。切削力也经历着从零增大再减小的过程。由于切削力较小，可以适应各种加工余量的变化，从而降低加工余量突变对刀具的破坏。VORTEX旋风铣刀路如图3所示。此刀具加工方法的成功应用，对硬度高、调质黏性大等难加工的材料具有很好的借鉴作用，如高温合金、钛合金、耐热不锈钢等材料。

图3 VORTEX 旋风铣削刀路轨迹图

经过比较，选取某品牌φ32 mm高速铣刀具，该刀具呈三角形，正反两面共计6个刀刃，经过测试，每组刀刃可加工产品两件，一组三片刀片可加工产品12件，属于高效低成本刀具。

1.3 加工工艺

1）通用虎钳装夹产品，对产品A面全轮廓进行加工，在机检测孔公差和全轮廓过渡；2）专用工装作为垫铁放在虎钳上，对产品B面进行加工，保证厚度和孔同轴度；3）竖立工装2装夹，对产品C面进行加工，完成斜面及清角。

1.4 工装设计

团队成员通过集智攻关，建立产品三维模型，然后对其进行脱模分解，将其中尺寸要点进行提取并设计合适的工装。由于钩子为异形件，通过仿形设计，设计出一组专用工装（由左、右两个工装组成）。先将左、右两工装进行脱模分解，将产品放入工装中，用虎钳夹紧，然后采用机床测头进行自动对刀找正，保证两个孔位同轴度。工装三维图如图4所示，工装实物图如图5所示。

2 模拟加工

2.1 A面VORTEX旋风铣削

采用某软件的VORTEX旋风铣功能，在加工时刀具切宽恒定，没有满吃刀现象，通过旋风铣功能，能有效降低机床载荷和刀具颤动，最大程度发挥机床和刀具的高速加工优势[5]，旋风铣开粗加工切削速度为前者的4～5倍，并且没有“打刀”的风险。A面VORTEX旋风铣削三维轨迹如图6所示。

图4 工装三维图

图5 工装实物图

图6 A面VORTEX 旋风铣削三维轨迹图

2.2 补加工与精加工

开粗后用φ12 mm飞刀进行二次开粗，对需清角的位置进行清角，然后再采用φ32 mm玉米铣刀进行预精加工，光整上平面。最后用φ12 mm硬质合金刀进行精加工。硬质合金铣削刀具螺旋角越大，工件与刀刃的接触线越长，在单位长度的刀刃上载荷就越小，切削越轻便，所以选择刀具螺旋角为42°的硬质合金刀进行精光。A面清角如图7所示。产品在加工后进行全轮廓倒角，采用φ16、45°倒角刀对产品全轮廓进行C0.2的倒角，使产品质量更高。使用全轮廓倒角后，仅需要对根部大约5 mm的长度进行修挫即可。