數(shù)控訓(xùn)練|鈦合金薄板類易變形框狀零件的數(shù)控加工工藝優(yōu)化
鈦合金屬于易變形的難加工材料，此次加工對象為環(huán)狀鈦合金板材(見圖1)。外圈外形為復(fù)合大擺角，內(nèi)圈外形的擺角較小，單面加工，尺寸為：1200mm×1200mm×25mm;壁厚2.5mm;腹板厚1.5-2.5mm;筋條寬度2mm，加工精度高。共18個腔槽，轉(zhuǎn)角R8，且筋條高與內(nèi)外緣條間的連接R不同，分別為R8和R10，這給加工帶來一定的難度。由于圈子壁厚很薄，整體尺寸較大，存在很大的變形量，因此變形量控制是加工難點。
圖1第一框零件圖
航空領(lǐng)域中機加零件的材料主要有鋁、鈦合金和不銹鋼3種。框類零件和梁類零件的材料以鈦合金為主，鋁合金材料及不銹鋼材料為輔。
鈦合金材料特點：強度高，硬度高，彈性模量低，高溫和低溫性能優(yōu)良，耐腐蝕性強。
此次加工的零件形狀為大直徑圓形單面多槽，其筋條、緣條及腹板厚度較薄，因而在加工過程中易產(chǎn)生變形，已變形零件的后續(xù)加工有很多麻煩。腹板下陷部位由于轉(zhuǎn)角處R角比較小，為了達到精度要求，必須選擇小直徑的刀具進行精加工到最終尺寸。此零件的毛料狀態(tài)是板材，需要大直徑刀具進行粗加工，去除余量。所以在加工中采用什么切削方式來控制變形量是重點及難點。
加工中變形量的控制主要采取以下措施：切削方式、加工順序、刀具選擇和夾具的運用。
1.加工方式
零件切削的加工方式是加工中控制變形的一個重要“參數(shù)”，快進切削是控制加工變形的一種重要銑切加工方式，能有效控制加工后零件的變形量。所謂快進切削就是在銑切件的表面，盡可能選擇適合的大直徑加工刀具。編程時，加工參數(shù)要符合所選刀具的加工狀態(tài)，分多層加工，每層的切深要小，一般為1mm，層與層之間的進刀方式一般選用圓弧進刀或坡走銑。遵循大進給、淺切深的原則，既節(jié)省刀具又節(jié)省機床，加工狀態(tài)穩(wěn)定，加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量較傳統(tǒng)方式都有較大的提高，快進切削走刀方式見圖2。
2.整體加工流程
實際加工過程中，首先根據(jù)零件的實際情況和外形樣板設(shè)計自制工裝，考慮是否需要特殊刀、量具及是否需要申請測量。其次，編制加工工藝方案及加工流程。由于背面是平板面，而且外形面相對于正面來說是閉角，所以要設(shè)計一個工裝，與預(yù)留凸臺及下腹板面定位，避免在銑外形時因五坐標機床擺刀銑而傷及機床表面和刀具。具體加工流程見圖3。
圖2快進切削走刀軌跡
圖3加工流程
(1)基準孔的加工
零件數(shù)控加工時，通常采用兩孔一面作為基準(利用零件本身具有的兩個通孔作為加工基準孔)。此零件不算厚，在加工孔時，將其鉆通即可，而且都是借用孔(先借用鉆個定位小孔，后期銑切掉，按數(shù)模銑成兩個大通孔)。在鉆借用定位孔時，沒有高精度尺寸的嚴格要求，容易加工。如果毛料很厚，在加工基準孔時加工成盲孔，避免孔太深導(dǎo)致孔垂直度不合格。
(2)內(nèi)形粗加工
根據(jù)實際零件狀態(tài)選用大直徑刀具(Φ63R3)進行粗加工去除余量。為了減少零件控制變形，粗加工采用快進刀片淺切，每層切深1mm，并且需要跨槽加工，即不按順序銑每一個槽，要先1槽、3槽、5槽……再銑2槽、4槽、6槽……。內(nèi)外形的加強筋預(yù)留通過輔助夾具來控制加工變形。
(3)精加工及閉角殘留的處理
在半精加工時，根據(jù)槽寬的大小，采用Φ40R3或Φ30R3刀具加工腹板。腹板加工到位后，再保證筋條和緣條的厚度尺寸。筋條與緣條相連接處的R角需要用Φ16R3的刀具保證，避免大直徑刀具加工后的殘留量，此零件在內(nèi)形局部存在閉角。為了保證零件的重量要求，用Φ8R3刀具行切加工閉角殘留處理，以滿足設(shè)計需要。這樣既保證加工后重量又保證數(shù)控加工后接刀光順。
(4)刀具的選擇及切削參數(shù)
整個切削過程中刀具的選擇非常重要。粗加工時，要選擇大直徑刀具進行快進淺切，大直徑刀具能提高加工速度;而后選用常用的Φ40R3或Φ30R3的刀具進行半精加工，更換刀具后，由于大直徑刀具加工后轉(zhuǎn)角的殘留比較大，精加工時選擇小直徑的刀具加工時，轉(zhuǎn)角處要提前處理—轉(zhuǎn)角進行插銑。如不處理，粗加工后直接用小刀進行精加工，在轉(zhuǎn)角處的吃刀量較大，容易打刀切傷零件。刀具選擇和切削參數(shù)數(shù)值見表1。
表1刀具選擇及切削參數(shù)數(shù)值
3.優(yōu)化完善加工流程
在實際加工過程中，發(fā)現(xiàn)在加工中產(chǎn)生的變形量比想象中的更嚴重，主要表現(xiàn)為腹板和壁厚太薄。采用的切削方式?jīng)]有問題，但由于工藝凸臺留的較少，很難控制變形，因而加工第一件零件時會很費時間?；谧冃蔚脑?，有些部位在三五坐標分別數(shù)控加工時，銜接不是很好，鉗工的工作量較大，共用時9天。
圖4為首次加工時預(yù)留的凸臺定位塊，可以看出，外圈有4處壓點，內(nèi)圈留2處連接筋。
總結(jié)經(jīng)驗，更改和完善工藝流程，在首件加工完成后進行第1次更改，具體如下：
①控制變形量：增加毛料與零件連接筋的數(shù)量(外圈9個，內(nèi)圈8個)，連接處20寬，以增加零件強度和加工穩(wěn)定性，控制變形量;
②鉆沉頭螺栓：在毛料連接處鉆孔，采用沉頭螺栓壓緊。可以降低運用刀具的長度，以便加強零件加工的穩(wěn)定性，提高加工效率;
③調(diào)整加工順序：將加工順序根據(jù)第1件實際加工后的情況進行調(diào)整，便于操作及尺寸控制;
④增加測量工序：由于外形角度較大，利用樣板檢測內(nèi)外形，尺寸難以檢測，為了保證零件的正確性，提測量數(shù)據(jù)進行零件內(nèi)外形及筋條位置的檢測;
⑤轉(zhuǎn)角插銑：為了提高加工效率及產(chǎn)品質(zhì)量，轉(zhuǎn)角采用插銑，以免大刀粗加工后轉(zhuǎn)角余量大，精加工時打刀，傷及零件。
⑥擴孔加工：在加工腹板上的減輕孔時，要注意編程順序，中心下刀，一圈一圈向擴銑，避免薄腹板切傷;
⑦切斷工藝耳片：將預(yù)留的工藝耳片進行切除，用小刀先進行軸線分層，再進行徑向分層加工，避免帶傷零件。
圖4首次加工所留連接筋
在首件加工完成后，對加工方案再次進行調(diào)整，調(diào)整后所連接筋見圖5。調(diào)整后不但有效控制了變形量，而且加工效率得到了明顯的提高，只用時4天，大大減弱了鉗工的工作量。(首次加工時，用時9天)。具體調(diào)整步驟如下：
①在毛料的中間位置增加2個沉頭螺栓，以免零件在最后切斷時中間毛料轉(zhuǎn)動，打傷刀具，切傷零件;
②粗銑外形時，刀具不抬起，將外圍毛料整體切斷，這樣粗加工外形、外圈在毛料外進刀，軸向均勻分3層，每1層直接走1周，到壓緊的內(nèi)置螺釘處，繞過去，不抬刀;內(nèi)圈也采用這種方式加工。調(diào)整后，減少45次抬刀，45次進刀和45次空走刀，共節(jié)省時間約150分鐘(見圖6)。
③補銑腹板和精銑筋條程序在粗銑外形前進行，可以保證補銑腹板尺寸，有效保證筋條與腹板的接刀差。
圖5調(diào)整后所留連接筋
圖6改進后粗銑外形走刀圖
從這個零件的加工過程可知，實際與理論的偏差還是很大的，所以前期工作非常重要，雖然有些問題是在前期預(yù)想不到的，但通過其他零件銑切后的狀態(tài)可以做到舉一反三，在后面的類似零件加工中不再發(fā)生同類事件。
小結(jié)
通過對此類零件的數(shù)字化加工進行改進，采取有效的工藝方法，控制了零件的變形量，對閉角及開角區(qū)處運用的編程方法(插銑)可減少刀具在此處的大量承載力，有效提高了加工效率，保證了零件的加工質(zhì)量;通過試驗刀具切削參數(shù)，總結(jié)了此類零件加工參數(shù)，為今后這類零件的切削加工提供了有價值的技術(shù)資料。
巧妙利用毛料預(yù)留凸臺為定位基準，使得自制夾具簡單化，為零件的加工提供了便利，減少了以往加工過程中需要反復(fù)倒壓板的工作量，大大減少了勞動強度，整體提高了加工效率，縮短了加工周期，產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升。
原載《工具技術(shù)》作者：張俊
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