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        鏜削逐層掃描加工的擴展應(yīng)用

        2014-12-02 01:32:30河南平原光電有限公司焦作454001陳利波劉紅德
        金屬加工(冷加工) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:鏜刀鏜孔內(nèi)腔

        河南平原光電有限公司 (焦作 454001)陳利波 梁 兵 劉紅德

        數(shù)控銑削較深型腔類零件時,由于棒銑刀裝夾方式屬于懸臂結(jié)構(gòu),加工時刀具側(cè)齒距離刀柄越遠,銑削剛性越差,造成切削讓刀量不一致,銑后造成內(nèi)腔側(cè)壁尺寸口大底小,俗稱“倒梯形”。如果尺寸精度要求較低,深度方向可以用分層銑解決,但層間有接刀痕。如果加工7 級及以上精密尺寸時,棒銑刀銑削將很難保證精度要求,側(cè)壁表面粗糙度也較差。

        筆者針對加工中心銑削時出現(xiàn)的實際問題,采用以鏜刀代替銑刀逐層掃描的加工方法,很好地解決了型腔加工側(cè)壁讓刀問題,并保證側(cè)壁表面粗糙度值Ra=0.8μm。在承接多家研究所外協(xié)產(chǎn)品加工中,為保證異形腔體精密尺寸起到關(guān)鍵作用。此項工藝改進直接產(chǎn)生的經(jīng)濟效益超過百萬元,因加工工藝方法領(lǐng)先,關(guān)鍵重要零件形位精度得到保證,回頭客戶簽訂加工合同量穩(wěn)步增加,訂價權(quán)多在我方。

        1.發(fā)展狀況及趨勢

        隨著電主軸高速數(shù)控機床的普及,鍍鈦等涂層刀具及陶瓷刀具的廣泛使用,使我們的加工范圍更廣,刀具轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)8 000~12 000r/min 的準高速加工,15 000~50 000r/min 高速加工,以鏜代銑逐層掃描的加工方法,加工時間會大幅縮減,對關(guān)鍵零部件的加工將發(fā)揮更大作用,這一加工理念必將被廣泛應(yīng)用。

        2.創(chuàng)意設(shè)計內(nèi)容

        思路起源于我部承接某研究所大殼體零件加工時,零件精密尺寸出現(xiàn)直徑相同圓孔套合扁孔共柱面結(jié)構(gòu),起初并沒有得到重視,當加工中心實際銑削時,發(fā)現(xiàn)孔口與孔底加工后尺寸不一致,俗稱“喇叭口”,并且圓孔與扁孔二次銑削產(chǎn)生嚴重接刀痕現(xiàn)象,銑扁孔時傷到了圓孔,形成四段圓弧,不能保證形位尺寸精度。

        經(jīng)分析主要是棒銑刀夾緊屬于懸臂結(jié)構(gòu),加工時刀具側(cè)齒距離刀柄越遠,銑削剛性越差,如果分層銑時,距離刀柄近的側(cè)齒會二次銑傷前部側(cè)齒已銑成形的腔體側(cè)壁,造成讓刀量不一致,形成“倒梯形”或“喇叭口”現(xiàn)象。要消除讓刀量不一致及二次銑傷側(cè)壁問題,受鏜孔讓刀量小的啟發(fā),創(chuàng)新求變,采用以鏜刀代替銑刀逐層掃描的加工方法。

        通俗理解:棒銑刀銑型腔時,是用側(cè)齒按編程軌跡銑成形,較深內(nèi)腔采用分層銑削,分層深度一般設(shè)定為1~5mm,適合于較低精度內(nèi)腔加工。我們采用粗銑后,使用鏜刀按編程軌跡鏜內(nèi)腔輪廓,內(nèi)腔深度采用分層鏜每層設(shè)定為t=2 [h (2r -h)]1/2(推算方法見圖1),保證表面粗糙度值Ra≤0.8μm,逐層掃描形成內(nèi)腔側(cè)壁。由于微量旋風(fēng)鏜削,每層切削力接近相等,型腔加工讓刀問題得到解決,側(cè)壁表面粗糙度值Ra≤0.8μm。

        圖1 內(nèi)腔深度分層鏜殘留峰值

        設(shè):每層深度為t,已知:鏜刀尖圓角為r,h≤表面粗糙度值Ra,則

        (1)技術(shù)原理及理論依據(jù):加工中心常規(guī)鏜孔的切削軌跡是致密螺旋線形成孔側(cè)壁。

        棒銑刀銑腔體側(cè)面時,是以銑刀側(cè)齒為母線按編程軌跡使致密母線形成側(cè)壁;銑孔及弧軌跡是采用微分圓弧插補原理,使致密母線形成柱孔或弧面?zhèn)缺凇?/p>

        以典型零件(見圖2)為例,如果加工一個定軸心、定轉(zhuǎn)向的鋁合金零件,7 級精度,上部是圓孔,下部是相同直徑的扁孔(總深度50mm 左右),粗糙度值Ra=0.8μm,加工難題就出現(xiàn)了,要鏜孔,下部是扁孔不能鏜;要銑孔,加工精度差、表面粗糙度差,側(cè)壁讓刀,上部孔與下部圓弧二次加工將產(chǎn)生接刀痕。

        圖2 典型零件示意圖

        零件加工的主要難點是:側(cè)壁讓刀,有接刀痕;表面粗糙度差。銑孔不可行,只能在鏜孔方面尋求解決辦法,鏜扁孔似乎不可能,這就要打破傳統(tǒng)思維觀念,創(chuàng)新求變。我們自編工藝,編制程序與操作人員試加工,測試修正加工參數(shù),采用先單邊留量0.06mm 粗加工腔體內(nèi)形,再使用φ20mm 雙刃對稱鏜刀,按編程軌跡旋風(fēng)插補精鏜上部圓孔和精鏜下部扁孔直徑相同的兩段圓弧,深度進刀由常規(guī)鏜孔的致密螺旋線切削軌跡改變?yōu)橹旅艿戎睆酵膱A組切削軌跡,不抬刀逐層按編程軌跡掃描精鏜上部圓孔和精鏜下部圓弧面。因為高速微量不換刀持續(xù)切削,切削力保持一致,鏜刀是刀尖切削,刀尖處鏜刀桿的剛性不變,加工中讓刀及接刀痕問題迎刃而解,可保證側(cè)壁表面粗糙度值Ra≤0.8μm。

        (2)實現(xiàn)的途徑及可行性分析:加工刀路已經(jīng)確定,具體實現(xiàn)要靠計算。

        用SolidWorks 三維軟件繪制計算型腔輪廓切削軌跡殘留峰值圖,要求達到圖樣(見圖2)規(guī)定的表面粗糙度值Ra=0.8μm。

        使用CK 基礎(chǔ)刀柄,代號TW2026E (參數(shù)來源于大昭和精機株式會社,BIG+KAISER CK 模塊式鏜刀系列圖冊)。依據(jù)圖2 角部尺寸4×R10mm,選用雙刃對稱鏜刀,鏜刀直徑按φ20mm,繪制計算圓周切削殘留峰值圖(見圖3)。

        圖3 型腔輪廓切削軌跡殘留峰值放大圖

        根據(jù)圓弧切削殘留峰值圖計算設(shè)定切削參數(shù):當進給量≤0.28mm/r,計算得出切削殘留峰值為0.000 78mm,可以滿足表面粗糙度值Ra=0.8μm 的要求。

        設(shè):刀具轉(zhuǎn)速S=6 000r/min,則:圓弧軌跡進給速度F=6 000r/min×0.28mm/r=1 680mm/min。

        工件上半部分每層的加工周長按刀具中心軌跡計算為:(100-20)×3.14=251.2mm,刀具每加工一周的旋轉(zhuǎn)數(shù)=加工周長÷進給量=251.2 ÷0.28≈897r,刀具每加工一層的切削時間=每加工一周旋轉(zhuǎn)數(shù)÷刀具轉(zhuǎn)速=897 ÷6 000≈0.15min。

        同理,我們可以計算出工件的下半部分環(huán)形腔的刀具中心軌跡的每層加工周長為232.92mm,刀具每加工一周的旋轉(zhuǎn)數(shù)=環(huán)形腔刀軌中心軌跡周長÷進給量=232.92÷0.28≈832r,刀具每加工一層的切削時間=每加工一周旋轉(zhuǎn)數(shù)÷刀具轉(zhuǎn)速=832 ÷6 000≈0.14min。

        用SolidWorks 三維軟件繪制計算內(nèi)腔深度吃刀逐層掃描切削軌跡殘留峰值圖,要求達到圖樣規(guī)定的表面粗糙度值Ra≤0.8μm (見圖4)。

        圖4 內(nèi)腔吃刀逐層掃描鏜刀殘留峰值圖

        使用機夾式鏜刀片(代號CCGP060204FLA),鏜刀修光刃圓角r=0.4mm (參數(shù)來源于大昭和精機株式會社,BIG+KAISER CK 模塊式鏜刀系列圖冊)。

        根據(jù)吃刀深度層間殘留峰值計算設(shè)定切削參數(shù):

        當軸向每層吃刀深度≤0.05mm;滿足表面粗糙度值Ra=0.8μm,每層吃刀深度=0.05mm,切削殘留峰值=0.78μm <0.8μm,已知工件上半部分加工深度為20mm,孔每加工一層切削時間=0.15min,每層吃刀深度=0.05mm,可以計算出上半部分圓弧軌跡插補鏜孔時間=0.15×(20 ÷ 0.05)=59.8min;工件下半部分環(huán)形腔的深度為30mm,每加工一層的時間=0.14min,下半部分環(huán)形腔的加工時間=0.14×(30 ÷0.05)=83.16min;總加工時間=59.8+83.16=142.96min。

        該加工方法主要適用于轉(zhuǎn)速較高的數(shù)控機床(轉(zhuǎn)速大于8 000r/min),用SolidWorks 三維軟件繪制計算切削軌跡殘留峰值圖,在機床、刀具允許的條件下,盡量提高刀具轉(zhuǎn)速,加大軌跡進給速度,提高生產(chǎn)效率。

        3.創(chuàng)新點

        我部承接某研究所大殼體零件加工時,首次采用以鏜刀代銑刀逐層掃描的加工方法,高質(zhì)量完成了該項航空產(chǎn)品加工任務(wù),得到甲方的贊揚。該項加工工藝創(chuàng)新,打破了傳統(tǒng)的鏜刀只能加工圓孔的觀念,在高速切削的基礎(chǔ)上,內(nèi)腔粗銑后,鏜刀既可以加工扁孔,也能加工各類型腔,很好地解決了銑削讓刀引起的“倒梯形”或“喇叭口”現(xiàn)象。

        4.應(yīng)用和推廣情況

        (1)實際應(yīng)用于某研究所大殼體零件加工(思路起源),如圖5 所示。

        圖5 應(yīng)用以鏜刀代銑刀逐層加工

        粗銑內(nèi)形后,鏜刀按編程軌跡差補鏜圓孔、鏜斷續(xù)臺階孔,很好地解決了讓刀“喇叭口”現(xiàn)象和臺階孔與圓孔銜接處產(chǎn)生接刀痕問題。

        (2)推廣應(yīng)用于某研究所“U 形架”零件加工,如圖6 所示。

        圖6 以鏜刀代銑刀逐層掃描法推廣應(yīng)用

        圖7 精密槽放大圖

        (3)思路拓展應(yīng)用于加工某外協(xié)廠零件,如圖7、圖8 所示。

        加工7 級精度長槽,寬4G7,長6mm,深10mm。銑削會產(chǎn)生讓刀,電脈沖會產(chǎn)生電極損耗形成錐槽,線切割不能加工盲槽。我們采用密排鏜孔,疊壓法加工制成長槽,已知:R=2mm,h≤0.000 8mm。

        圖8 零件圖

        槽長度方向陣列鏜孔數(shù)=兩端R 中心距÷t=2 ÷0.113≈18 次

        (4)公式t=2 [h (2r -h)]1/2的靈活應(yīng)用:當銑削內(nèi)、外直線輪廓時,若圖樣要求側(cè)面粗糙度3.2μm,使用銑刀直徑φ10=2r,則t=0.358mm;若刀具轉(zhuǎn)速=1 000r/min,則刀具速度=1 000×0.358=358mm/min。

        若圖樣要求側(cè)面粗糙度值Ra=1.6μm,使用銑刀直徑φ10=2r,則t=0.253mm,若刀具轉(zhuǎn)速=1 000r/min,則刀具速度=1 000×0.253=253mm/min。

        依次套用公式,可以作為選定刀具速度的依據(jù),最大限度縮短加工時間,提高生產(chǎn)效率。

        5.經(jīng)濟效益及社會效益

        推廣應(yīng)用于某研究所“U 形架”零件加工,首批零件單件加工費用4 萬多元,共加工3 件(見圖6);由于質(zhì)量得到保證,又簽訂、加工了類似零件3批次,共7 件,包括該研究所各批次整套“跟蹤裝置”產(chǎn)品零部件加工、試裝生產(chǎn),各批次整套產(chǎn)品累計產(chǎn)值約170 余萬元。

        思路拓展應(yīng)用于加工某外協(xié)廠零件,首批零件單件加工費用4 千余元,共加工11 件(見圖8);由于質(zhì)量得到保證,又簽訂、加工第二批次。

        筆者所在的制造部是精密制造車間,生產(chǎn)的外協(xié)產(chǎn)品大部分是各研究所的重要零件,任何一個零件出現(xiàn)質(zhì)量問題不僅增加車間生產(chǎn)成本,還將影響公司的形象和履約率。以鏜代銑逐層掃描工藝創(chuàng)新技術(shù),保證了產(chǎn)品的高質(zhì)量,為公司贏得了好聲譽。

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