长桁类零件加工工艺_孙家冬.pdf

2023年 第5期 冷加工57工艺方案Technique Solution样设计要求，产品100%合格，同时加工效率提升65%。6 结束语本文介绍了多层零件的线切割加工难点和工艺改进方案，通过对前工序加工内容的调整和线切割加工路径的优化，使得废料变小或者成为粉末颗粒，解决了加工过程中因废料卡住而造成的二次放电现象，实现数控程序的连续切割加工，减少辅助时间，显著提高零件加工质量和加工效率，为类似零件的线切割加工提供了借鉴。参考文献：1 王朝琴，王小荣.数控电火花线切割加工实用技术M.北京：化学工业出版社，2019.2 伍端阳.数控电火花线切割加工技术培训教程M.北京：化学工业出版社，2008.3 庞丽君，尚晓峰.金属切削原理M.北京：国防工业出版社，2009.4 李明辉，杨晓欣.数控电火花线切割加工工艺及应用M.北京：国防工业出版社，2010.20230203专家点评文章介绍了多层零件的线切割加工难点。为解决加工过程中因二次放电而造成的缺陷，改进原有的加工方案，通过对前工序加工内容的调整和线切割加工路径的优化，使得废料变小或者成为粉末颗粒，实现程序连续加工，减少加工辅助时间，提高生产效率。文章论点突出，思路清晰，创新之处在于多层零件线切割加工落料方法。通过数控铣削预加工相邻锥体之间的斜面部分，使得线切割加工中产生的废料变小而不会卡住。锥体根部凹槽部分则采用网格化步距切割方式，使得废料变为粉末或颗粒状，在加工时随切削液排走，实现无废料连续切割。长桁类零件加工工艺孙家冬，杨巍，孙国雁航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁沈阳110850摘要：针对长桁类零件的曲面和斜孔加工难点，从结构分析、方案设计、加工细节和编程技巧等方面入手，提出一种切实可行的加工方法；通过合理设计加工方案、安排工艺路线、采用高速铣、分层铣削编程策略及增加工艺加强筋等方法，有效地降低了零件在机械加工过程中的变形，提高了零件精度，为类似零件的加工提供了参考方案。关键词：长桁类零件；复杂曲面；变形控制；加工方案；编程策略1 序言长桁类零件大多属于复杂曲面、复杂结构的产品，其所有表面皆为曲面，整体无固定壁厚且上下曲面均为装配面，对曲面位置精度要求非常高。中间凸起处斜导孔倾斜角度大，钻孔困难；同时因零件细长，变形量极大，曲面位置精度难以保证。细2023年 第5期 冷加工58工艺方案Technique Solution长结构为其显著特点。当前的加工方案为粗加工半精加工精加工，通过分阶段加工的方式释放应力。控制变形的手段单一，零件加工周期长，加工过程中变形不可控，对加工的技术经验要求高。本文以某长桁类零件为例，从结构分析、方案设计、加工细节控制、编程方式与技巧等方面入手，探索出一种切实可行的加工方法，并优质高效地完成零件的加工，为类似零件的加工方案设计提供参考。2 零件结构特点图1为某长桁类零件结构。零件外廓尺寸为27mm55mm960mm，材料为7050T7451预拉伸板材。零件结构具有如下特点。1）零件为典型的细长桁类零件，长宽高比例约为3521。2）零件结构复杂，所有面皆为曲面，且部分曲面为双曲面。3）孔倾斜角度大，约60，且各个孔轴线非平行，存在空间角度。4）零件有4处装配曲面，精度要求高。5）在长度方向为两侧低、中间高的凸起弧形 结构。图1零件结构3 结构工艺性分析零件结构工艺性分析如下。1）零件长宽比例大，且零件单侧存在凸起不规则筋条，数控加工后易发生应力释放不均匀，导致零件发生侧弯及扭曲变形，变形极难控制，影响产品质量。2）零件长度方向为两侧低、中间高的凸起弧形结构，加工时无法控制长度方向弧形结构的变形，导致测量不合格。3）孔倾斜角度大，且各个孔存在空间角度，无法采用钳工钻孔，只能由数控铣床加工，钻孔时易发生机床主轴与零件毛坯碰撞干涉；如果将钻孔侧毛坯去除，虽便于加工，但造成毛坯整体应力释放不均匀，零件变形不可控，导致孔位偏差及曲面位置精度不能满足要求。4 常用加工方案对于此类零件，常用加工方案有如下3种。1）在零件粗铣后，沿毛坯长度方向开卸力槽，将应力尽可能释放。零件分四面加工，双面粗铣后再双面精铣。此方案对零件弧形结构变形控制较差，粗铣后零件定位面已不平整，需二次补铣定位面。零件精铣后仍然存在定位面不平的情况，需要增加校正工序，加工周期长。2）将零件粗加工，去除毛坯四边，仅在宽度方向留足够多的工艺凸台。粗加工后毛坯与锻件相似，按锻件方式设置加工方案。该方案需要专用铣夹配合，对控制零件结构变形有所改善，但是随着加工余量的不断去除，零件大部分结构处于悬空状态，会造成表面质量较差，对弯曲变形控制不理想，同时加工经济性较差，加工周期较长。3）毛坯在零件宽度方向不留余量，仅长度方向留压板余量及定位孔位置。此方案材料经济性好，但是变形控制最差，零件加工后易发生长度变长的问题，加工过程中需要频繁倒压板，否则零件极易被刀具带起，导致零件出现颤纹、尺寸超差及测量不合格。零件加工完成后也需要带工装测量，卸下毛坯后零件变形回弹大。以上3种加工方案各有利弊，每种方案均不能从根本上解决效率与质量双重提升的需求。5 最终加工方案及加工实现过程零件变形原因是材料内部应力分布发生变化，打破了原来的平衡。而克服零件变形的方式主要包括以下几点：合理装夹、非对称切削、高速切削、充分冷却和安排时效周期等。由于细长结构及斜孔加工导致的变形不可控是影响零件整体质量的决定性因素，因此控制好结构变形及合理安排钻斜孔是零件加工的关键。参考常用的加工方案并结合此零件的结构特点，对工艺设计思路进行分析与整合，从加工方案设计、装夹方案设计、加工设备选择、加工过程控制、编程方式及刀具参数等方面入手，提出最终的零件控制变形2023年 第5期 冷加工59工艺方案Technique Solution思路及加工方案。5.1 加工方案设计及加工流程安排零件计划采用全余量双面加工。零件四面按50mm宽余量设置毛坯，保证加工过程中结构刚度，控制整体变形。第一面加工无斜孔面，在型面上均匀设置3个纵向短筋条，用于控制长度方向弯曲变形。第二面加工有斜孔面，该工序的关键步骤在于通过数控程序控制毛坯去除过程，确保在切断前，零件与毛坯之间持续保持整体连接，微观上可以最大限度地减弱内应力失衡对零件变形的影响，宏观表现在于零件型面位置精度可控。全部型面加工完成后，将零件斜孔处毛坯加工至敞开状态，保证钻头通过性。最后切断（见图2）留L形连接。图2切断（局部）具体加工流程安排如下。第一面：定位面设置在零件底平面，装夹方式采用真空吸附，加工零件下陷及局部外形。第二面：采用方箱将零件垫高，通过均布压板的方式压紧零件进行加工。加工流程：粗铣内外形精铣腹板精铣弧形面精铣缘条高铣毛坯边钻斜孔行切零件外形切断。该方案相比常规方案的优势在于双面铣削加工效率高，零件表面粗糙度值低以及测量合格率高。5.2 加工设备的选择除了在工艺方案上采取措施外，合理的加工设备选择对于控制零件变形也能起到显著作用。相比普通数控铣床普速加工，高速铣削是控制零件变形的重要手段。高速机床为薄壁易变形零件提供了一种新的解决方案1。高速铣削具有材料切除率高、切削力低、热变形小以及精度高等特征。除了控制零件变形要求以外，该零件还存在大角度倾斜螺纹孔结构，需要在大摆角机床上加工。选用GTF3010-4500五坐标数控高速铣床，控制系统为FIDIA C20，为A、C摆角高速铣设备，其中A摆角行程为110，C摆角行程为360。5.3 刀具的选择及切削参数在加工方案已经确定的前提下，选择刀具时必须考虑切削力对变形的影响。除此之外，还应考虑不同规格刀具对加工效率、制造成本和产品加工精度的影响。本零件为细长结构，中间带不规则凸起筋条。从工艺性能和经济性方面考虑，粗加工采用16mm高速铣刀，精加工采用12mm高速铣刀，可以达到兼顾加工效率和切削力控制的目的。因为刀具直径小，加工零件时切削力小，降低了切削热，对零件机械加工后变形影响小。零件在加工过程中使用的刀具及切削参数见表12。铣削加工中经常使用的参数：铣削速度vc（m/min）、铣刀直径 Dc（mm）、铣刀转速n（r/min）、进给量fz（mm/z）、进给速度vf（mm/min）、铣刀齿数z、侧吃刀量 ae（mm）和背吃刀量ap（mm）。参数之间的相互关系为vffznz。粗铣内外形精铣腹板精铣弧形面精铣缘条高铣毛坯边钻斜孔行切零件外形切断。表1加工刀具及切削参数加工方式及部位 刀具规格/mm 转速n/（r/min）背吃刀量ap/mm侧吃刀量ae/mm进给量fz/（mm/z）进给速度vf/（mm/min）粗铣型面16R3160002160.206400精铣腹板12R315000130.185400精铣弧形面12R1150000.50.250.206000切断零件10R0120001.5100.1536002023年 第5期 冷加工60工艺方案Technique Solution5.4 加工细节控制加工细节控制如下。1）合理分配各加工阶段加工余量。大量实践证明，由于薄壁件粗铣时，加工余量留得越少，在精加工阶段刚性越差，刀具靠近零件表面时刀体越容易发生颤动，加工表面质量差，有的甚至呈波纹状，所以需要合理控制粗加工余量。本零件第一面加工因毛坯余量大，不需要特别控制。第二面加工时粗加工余量设置为：径向留1mm余量，轴向留2mm余量。精铣零件内形时，整体结构刚性好，加工表面光滑，抗变形效果十分显著。2）精加工时采用小直径刀具行切加工，径向0.2mm排刀。与采用大直径刀具行切相比，小直径刀具加工时切削接触处线速度小，刀具切削应力小。因精加工余量小，故采用小直径刀具行切，加工效率与大直径刀具相比变化不大。3）零件与毛坯之间留连接筋，保证精加工前的装夹强度3。第二面精铣零件时，零件整体处于悬空状态，切断前零件外缘与毛坯之间全部接触，保证零件加工时的结构刚性。4）切削方式的选择。粗加工时，一般采用等高加工的方式去除材料，这样应力释放均匀，可减小零件变形；下刀或行间过渡部分采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料，从而降低刀具轴向切削力对零件变形和表面质量的影响。5）采用高速铣设备加工，加工策略采用浅切快切的方式，进一步减小切削应力。6）切断时采用L形连接筋，保证在竖直方向支撑及侧向拉紧作用，控制弧度方向变形。7）如果零件变形超过要求，可在零件从毛坯上卸下前进行校正，以毛坯变形量为依据同步校正毛坯和零件。整体校正完成后再从毛坯上卸下零件，达到精准校形的目的。5.5 编程策略数控程序采用CAITA软件编制。粗加工时，采用三坐标Roughing命令，分层加工，背吃刀量设置为每层2mm；对于V形面部分，采用Sweeping命令摆角行切，留2mm余量。通过粗行切保证零件所有加工面待去除余量均匀。粗加工后，采用一把12mmR1mm高速铣刀专家点评控制好结构变形及合理安排钻斜孔是长桁类零件加工的关键。作者参考常用的加工方法并结合零件的结构特点，优化工艺思路，从装夹设计、设备选择、过程控制和编程策略等方面入手，制定零件加工方案。有效地控制了零件变形，实现了效率与质量的双重提升。文章突出重点、抓住关键，针对零件结构剖析变形规律，摸索出一种切实可行的加工方案，在工艺流程、刀具选择和加工细节等方面采取相应的改进措施，攻克了产品加工技术难题，为同类零件的加工积累了经验。精加工，通过同一把刀具加工不同型面，避免对刀误差。精加工具体策略为：腹板面采用刀具底刃加工，径向侧吃刀量3mm，类似行切形式加工。筋条侧壁采用Multi-Axis Flank Contouring命令，采用刀具侧刃五轴联动加工。剩余型面采用Sweeping命令行切加工，行切步距0.25mm。6 结束语航空长桁类零件的高效加工及变形控制一直是技术瓶颈。本文以特定零件的实际加工为例，通过对零件结构进行分析，剖析变形规律，提出合理的工艺方案，并在加工过程干预、编程策略等方面进行优化，有效控制了零件变形，攻克了产品加工技术难题，提高了零件加工质量，为优质高效地加工同类零件提供了参考。参考文献：1 黄芳，张兆新.高速铣加工技术研究J.金属加工（冷加工），2010（12）：21-23.2 安卫星.长梁类零件加工中变形控制J.装备制造技术，2012（4）：140-142.3 白雪坤.防止铝合金工件变形的工艺方法J.金属加工（冷加工），2021（7）：34-39.20230210