薄壁框架类零件数控加工工艺

□ 陈方国

中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009

1 工艺背景

薄壁框架类零件在机械加工中占有较大比例。在航空工业的发展过程中,薄壁框架类零件的加工一直是行业的难点问题。

笔者以支架和框架两种类型薄壁框架类零件为例,分析零件的结构特点、工艺特点及零件变形的原因,提出高速铣技术的应用、刀具和切削参数的合理选择、工装夹具设计的改进,以及其它改进措施。

2 结构特点

薄壁框架类零件结构单薄、刚度差,不具备切削加工中所需的支撑强度和刚性,加工过程中易受切削力影响而产生变形,让刀现象严重。

薄壁框架类零件结构复杂,加工要素多,有很多形位公差的要求。

受薄壁框架类零件结构影响,加工过程中的装夹和定位较为困难。

薄壁框架类零件由于独特的结构特点,在加工中容易产生变形和让刀现象,导致加工后的尺寸超差严重。零件变形原因主要有四个方面。第一,受夹紧力的作用,零件产生装夹变形。第二,受切削力的作用,零件内外壁在切削时产生偏让,导致加工的薄壁厚度不一。零件壁越薄,偏让越明显,得到的零件表面质量就越差,尺寸偏差也就越大。第三,零件产生内应力变形。加工过程中,材料的去除破坏了材料内部的应力平衡,在加工结束卸去装夹力之后,零件的内应力导致变形。第四,切削热使零件产生热变形。

3 工艺难点

薄壁框架类零件的加工要素一般都在加工中心上完成,不同结构形状零件的加工方法和解决措施各不相同。笔者主要以两种类型的薄壁框架类零件——支架和框架为例,进行分析。

支架材料为铝合金,结构复杂,加工要素多,加工、检验较为困难,是科研生产任务的一个难点。支架结构如图1所示。

图1 支架结构

对支架的工艺难点进行分析。支架的尺寸精度要求较高,部分表面粗糙度Ra要求达到1.6 μm,其余为3.2 μm。支架周边结构厚度仅为1.1±0.1 mm,最薄处只有0.5 mm,并且加工深度大,为32 mm,加工面积大,在加工时极易因振刀影响壁厚公差及表面粗糙度。由于支架上端腔体四周刚性差,因此支架在铣削中及铣削后都会产生较大变形,导致加工后各处壁厚尺寸相差较大。支架最大加工深度为32 mm,但是转接圆弧半径只有2 mm,转接圆弧半径与型腔深度之比为0.062 5,不满足铣削的工艺性要求。支架加工过程中所用刀具直径的选择受到限制,导致使用的刀具刚性差,加工过程中让刀现象严重,且刀具较长,加工过程中极易折断。

框架属于另一类薄壁框架类零件,上下端面贯通,与支架相比所能承受的压紧力和切削力更小。框架结构如图2所示。

图2 框架结构

4 支架数控加工

针对数控铣削加工支架的难点,重点介绍支架的数控铣削精加工部分。支架的数控铣削精加工选择数控机床为UCP710,机床主轴最高转速为12 000 r/min。编程零点选择在支架上表面的中心。

(1) 选择合理的加工顺序。先加工支架的上表面型腔,此时下面四个支柱刚性相对较好,加工中所产生的振动相对较小,有利于保证支架上端面的尺寸要求。后加工零件下部的四个腔体、支柱及分布在支柱周围的七个连接凸耳。

(2) 采用较小直径且刃数较少的铣刀进行加工,铣刀刃数以两三刃为宜,可减小切削力,并合理安排半精加工和精加工余量。如果铣刀刃数较多,那么排屑不利,容易产生积屑瘤,导致切削力增大,使支架产生较大变形。

(3) 选择合适的装夹方式,防止和控制支架受夹紧力而变形。采用留夹头装夹的方法,使支架主体部位不受夹紧力的作用,以此减小支架因夹紧力作用而引起的变形。支架角向用对刀棒做角向定位。

(4) 采用短切削刃模式。在加工支架上端的型腔时,由于转接半径与深度比为0.062 5,远小于0.2的合理比,加工时难度很大。对此,改制专用加长φ4 mm铣刀,将柄部及多余切削刃磨细0.1 mm,减小刀具与加工面的接触面积,减小切削力,防止振刀。

(5) 采用高速铣技术,并合理选择切削参数。对高速加工技术进行研究发现,高速铣与常规铣相比,单位功率下的金属切除率提高30%～40%,切削力减小30%,刀具寿命延长70%,加工时滞留于零件的切削热大幅度减小,切削引起的振动几乎消失。国外统计数据表明,进给速度和切削速度提高15%～20%,制造成本可以降低10%～15%。高速铣可以缩短加工时间,提高产品质量。另外,切削载荷降低也有利于减小薄壁类零件在加工中所产生的切削变形,适用于薄壁类零件的加工。通过查阅相关技术资料,进行多次切削加工试验,摸索出支架的高速铣削合理参数,见表1。以上参数在零件加工中得到了有效验证,取得了良好效果。

表1 支架高速铣削参数

5 框架数控加工

框架与支架的不同点在于框架是上下贯通的,径向无法受力,给装夹带来很大困难。以往的加工方法是数控铣削加工外轮廓和上端面,再加工侧面孔。框架内腔采用线切割加工,加工时间长,粗糙度值大,定位装夹困难,变形也较大。而且加工工序多,框架的周转次数也较多,导致框架加工周期长。

通过对框架进行结构分析,改进的加工方案为在五轴数控机床上用一道数控铣削工序完成旧加工方案中包括线切割工序在内的三道工序所有尺寸的加工。根据框架的结构特点,设计了一套工装,如图3所示。

图3 框架加工工装

工装底座采用平面定位方法,用三个螺钉固定毛坯,先加工框架外形,再加工框架侧面的孔槽,然后机床程序设置暂停,使用特制压板压紧框架。压板的内腔形状与框架外形一致,两者的配合间隙为0.02 mm。采用整体轴向压紧方案,这样既提高了框架的刚性,又使压板的内壁对框架起到支撑作用,消除加工过程中的让刀现象。

框架的高速铣加工方法和刀具参数设置与支架加工基本一致,采用切向进刀和螺旋下刀方法,保证稳定的切削条件。

6 数控加工程序

要编制出高质量的数控加工程序,需要充分利用机床的功能,将高速加工理念贯彻到加工程序中。薄壁框架类零件的数控加工程序编制要点有五条。

(1) 采用分层铣削编程方法,设置每层最大切深,分层加工,充分利用未切削部分作为零件最有力的支撑,以减小加工变形,提高刀具耐用度。

(2) 铣削采用顺铣方式,减少加工中的拉刀现象,提高零件的表面质量。

(3) 在铣削内槽转角之前设置较低的进给速度,使单位时间内的切削量保持恒定,避免在切削型腔转角处时由于切削量的突然增大和主轴的惯性作用出现过切和刀具折断现象。

(4) 内腔尺寸半精加工直接加工至图纸尺寸,小直径加长铣刀只起清角作用,这样可以减小小直径刀具的让刀趋势和振动。

(5) 合理安排零件的加工顺序尤为重要,若加工顺序错误,则将会给后续加工带来诸多不利,甚至造成零件报废。

7 刀具

要保证加工过程连续高效,必须要选用刚性好、耐磨、动平衡和排屑性能良好的铣刀,具体可选用整体超细晶粒硬质合金或粉末冶金高速钢及其涂层刀具,选用原则一般有四条。

(1) 选用刃数为两三刃的刀具为宜,因为刃数多,会导致排屑不利,容易产生积屑瘤,使切削力增大,导致零件产生较大变形。

(2) 粗加工及半精加工中大面积去除余量时,为提高加工效率,可选择直径相对较大的铣刀进行加工,加工余量的设置要均匀合理。

(3) 精加工内腔轮廓时,选择的刀具尺寸要略小于零件型腔的最小转角半径,这样有利于在转角处形成圆滑的过度曲线,避免切削力在转角处突然增大导致刀具折断现象。

(4) 考虑到薄壁框架类零件几何结构的特殊性,选取短切削刃刀具,刀具的切削刃直径要略大于刀柄直径,以减小被加工面与刀具的接触面积,减小切削力,这样可有效减小刀具和零件的振动。

8 冷却润滑

在高速铣削时,切削产生热量的70%～80%被切屑带走,5%左右传导至零件上,20%左右的热量被刀具吸收,所以要选择冷却性能好、冷却液流速较快的冷却方式。理论上最好采用油雾冷却方式,但受设备限制,实际上采用浓度为5%的乳化液进行冷却。乳化液的流速较快,冷却效果较好,可以带走大量切削热量,消除零件的热变形。

9 结束语

薄壁框架类零件是典型的难加工零件,要保证加工质量,需要利用高速切削技术,制订合理的加工工艺路线,优化切削参数,设计合理的工装夹具,改进加工刀具。在薄壁框架类零件的加工实践中发现,采用高速切削技术,零件的加工周期至少可缩短为普通数控铣削加工的一半。改进合理的切削刀具,可以减小零件和刀具的振动,使零件表面质量达到图纸要求。通过切削参数的调整,铣削深度的优化,可以减小零件内应力和零件变形。优化各部位的加工顺序,可以有效减小零件的振动和加工变形。采用合理的工装对零件装夹、定位,有效合并加工工序,可以节省零件周转次数,大大提高生产效率和零件质量。通过试制加工多个批次零件,经过检测均满足设计要求,保证了产品质量,同时为今后科研试制产品中的薄壁框架、超薄支架类零件加工技术的进一步提高积累了宝贵经验。