典型零件的五轴改三轴加工工艺方案

石鑫，王广运，熊云，彭贞城，何金龙

南昌新宝路航空科技有限公司 江西南昌 330024

1 序言

本公司主要生产航空中小结构零件，其种类繁多，结构多样，数量庞大。现公司三轴数控机床近百台，生产资源充沛，集群产能提升空间大。相比之下，五轴机床数量较少，不足10台，且五轴数控机床占用率极高，产能明显不足，生产瓶颈较大，阻碍生产效益的提升，成为亟待解决的问题。

为了有效缓解五轴数控机床的生产压力，充分发挥五轴机床优势，增强数控生产资源的协调性，近一步提升三轴数控机床的集群产能，达到降本增效的目的。通过对部分机型的数控零件型号进行梳理分析，找出适合“五轴改三轴”的零件，从工艺的角度及方案优化等方面缓解上述困境，提升生产效益。下面列举一些“五轴改三轴”的典型案例。

2 小闭角侧壁的接铣

在某隔板零件（六合一成组）“五轴改三轴”工艺方案改进中，最为关键的一点就是薄壁侧壁的接铣。除了成组加工时零件需留有足够的加工余量以确保加工刚性外，小闭角（薄壁内弯且与垂直面夹角约6°）侧壁的接铣应采用一些特殊刀具来完成。

2.1 零件结构及工艺分析

图1为某薄壁隔板零件，材料为7050-T7451-δ30。虽然零件结构相对简单，但壁厚及腹板厚均为1.5m m，且存在小闭角（见图1圈起处，该薄壁内弯且与垂直面夹角约6°）。零件整体尺寸约320mm×180mm，属于典型的薄壁框板类零件。原工艺方案为五轴数控加工，现配合T形刀将其成功改为三轴数控加工。薄壁隔板六合一成组加工工艺搭接如图2所示。

图1 某薄壁隔板零件

图2 薄壁隔板六合一成组加工工艺搭接

2.2 小闭角侧壁的接铣

图3为T形刀接铣内侧壁工艺。对于这种开放式的且存在一定闭角的侧壁加工来说，首选T形刀来完成铣削[1]。正是由于采用T形刀接铣小闭角侧壁，才使得该六合一隔板零件的“五轴改三轴”工艺方案得以应用与实施。图4为T形刀在其他特征零件中的应用。

图3 T形刀接铣内侧壁工艺

图4 T形刀在其他特征零件中的应用

3 多工位铣削方式的应用

除了特殊刀具的使用外，实际生产中更多是采用多工位加工的工艺编排方式，即将原五轴数控加工分解为X、Y和Z方向上的单工位三轴数控加工。主要分为两种情况：一是工件自身的多工位摆动，二是辅助工装的多工位摆动[2]。

3.1 工件自身的多工位摆动加工

工件自身的多工位摆动加工模式是将工件通过正、反铣，并结合挂起方式，完成上、下铣，实现零件的整体数控加工，铣削工作全部在三轴数控机床上完成[3]。图5为某支架零件，材料为7050-T7451-δ50，零件结构相对复杂，存在弧面耳片及整个圆弧筒面，筒面端头有钻孔要求，属于典型的多工位加工零件。

图5 某支架零件

原五轴工艺安排为正、反面对接加工完成，现将其改为三轴正、反铣，并结合挂起方式完成上、下铣及钻孔。图6为该支架的多工位摆铣加工工艺流程。从车间实际加工情况的反馈来看，该摆铣加工方式十分适用于大批量的三轴数控加工。通过定制标准工艺孔、标准通用配套工装，对于公司三轴数控集群产能的提升最为明显，也最有利。

图6 支架的多工位摆铣加工工艺流程

3.2 辅助工装的多工位摆动加工

辅助工装的多工位摆动加工常见的工装模式分为3种，一是立卧转换工装，二是摇摆工装，三是固定角度工装。

（1）立卧转换工装的使用 图7为立卧转换工装结构。将零件的来料毛坯反扣到该工装上，通过工装的转换摆动实现零件的一次装夹、多工位加工。数控机床的对刀原点始终在工装表面中心孔位处，可确保加工过程中的加工原点始终不变。实际操作中，仅需将该工装人为地立起或卧放，即可实现零件的多工位数控加工。图8为立卧转换工装用于某接头零件的加工的工艺流程。

图7 立卧转换工装结构

图8 立卧转换工装用于某接头零件的加工的工艺流程

（2）摇摆工装的使用 摇摆工装常应用于需±90°范围内摆动加工的零件，为非固定角度工装。在实际应用中，需要依靠顶针或是转盘进行夹持旋转，并需要校准工装中心轴线与卡盘中心轴重合。图9为摇摆工装在某拉杆零件上的装夹应用，通过转盘的旋转，实现拉杆零件在一定角度内摆动、旋转铣削加工，从而避免了再用五轴机床加工和占用五轴机床资源。

图9 摇摆工装在某拉杆零件上的装夹应用

（3）固定角度工装的使用 固定角度工装是指依据零件特点，外购或自制的与零件铣削部位夹角相同的工装，迫使零件铣削部位垂直或水平摆放，从而实现零件的三轴数控加工。图10为固定角度工装应用于某接头零件45°盲槽加工。通过自制固定角度工装，将盲槽摆成垂直状态，便于三轴机床完成该盲槽的铣削加工，从真正意义上将该零件由五轴数控加工改为三轴数控加工。

图10 固定角度工装应用于某接头零件45°盲槽加工

4 创新性分析

典型零件的“五轴改三轴”工艺改进方案具体解决了以下几个问题。

1）根据不同零件的结构特点，自主设计、制造并应用了多套工装夹具，大幅缓解了公司五轴数控机床的生产压力，提供了有效的解决方案，并做到有的放矢，达到降本增效的目的。

2）不同工装夹具及工艺技术的成功应用经验，可以推广至其他类似零件的工艺改进方案中。

3）通过开展“五轴改三轴”工艺改进工作，成功开启了公司对“工艺指导生产，生产反馈工艺”问题的思考，打破传统固有的工艺安排及零件装夹加工思路，在“军民融合”的大背景下，为公司的发展提供了强有力的技术支撑。

5 结束语

典型零件的“五轴改三轴”工艺方案改进工作，着重从工艺的角度来提升零件的生产加工能力，提高车间生产效率，达到降本增效的目的。其中所应用的工艺方法、技术手段、辅助工装和刀具等，对其他零件的工艺改进具有借鉴与指导作用。

专家点评

文章的亮点是根据不同零件的结构特点进行自主设计，从工艺的角度拓宽三轴数控机床的加工范围。通过选择合适的切削刀具和工装夹具，将五轴数控加工改为三轴数控加工，缓解了五轴数控机床的生产压力。通过小闭角侧壁对接铣削、多工位铣削方式的应用案例，阐述了“五轴改三轴”的工作重点和加工技巧，工艺方案的改进具有很好的创新性和效益性，并且经济实用，开启了工艺指导生产的加工思路，为协调利用数控设备资源提供技术支持，达到了降本增效的目的。