馬宇峰，張宇,2

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310006)

0 引言

紡錘螺扇作為核電冷卻汞的核心部件，具有十分重要的作用。紡錘螺扇的加工質(zhì)量的好壞直接影響到核電冷卻汞的冷卻效果。由于紡錘螺扇的結(jié)構(gòu)特殊，普遍采用五軸聯(lián)動加工，目前瑞士、德國、美國、意大利、俄羅斯等一些制造業(yè)強(qiáng)國都已經(jīng)掌握了這一項(xiàng)技術(shù)，但是同樣的螺扇五軸聯(lián)動加工，彼此的效率、質(zhì)量等都有差別，我國在制造業(yè)這一領(lǐng)域起步較晚，如何趕超這一領(lǐng)域的先行者，還有待學(xué)者進(jìn)一步實(shí)踐與研究[1-7]。

本文研究紡錘螺扇加工關(guān)鍵技術(shù)，制定加工工藝，在制造加工上進(jìn)行了優(yōu)化，是對五軸聯(lián)動高端加工技術(shù)提供的重要依據(jù)。

1 紡錘螺扇結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)

本文所研究的紡錘螺扇結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 核電冷卻汞的模型裝配圖

圖2 紡錘螺扇零件圖

從圖1、圖2可知紡錘螺扇作為冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵冷卻部位，它的質(zhì)量好壞直接影響整個汞體的冷卻效果。該零件五軸聯(lián)動加工的難點(diǎn)以及技術(shù)要求主要有：

(1)刀路最優(yōu)效率規(guī)劃；

(2)加工曲面根部是否與D12柱面產(chǎn)生過切；

(3)高質(zhì)量的葉片表面粗糙度；

(4)材料的切削參數(shù)調(diào)試；

(5)SR14.25表面和葉片外輪廓面粗糙度要求Ra1.6,其余Ra3.2。

2 紡錘螺扇加工工藝規(guī)劃

2.1 紡錘螺扇毛坯及加工設(shè)備的選擇

紡錘螺扇零部件毛坯采用尺寸為φ51×65的2A12型高強(qiáng)度硬鋁。

為了提高加工效率，降低加工成本，采用MasterCam2017軟件完成紡錘螺扇零部件的CAD建模及加工工藝優(yōu)化。

根據(jù)紡錘螺扇零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，普遍采用五軸聯(lián)動加工設(shè)備。本研究采用型號MIKRON_UCP_800Duro五軸聯(lián)動加工中心(配備Heidenhain iTNC530數(shù)控系統(tǒng))，完成紡錘螺扇零部件的加工，其機(jī)床結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 MIKRON_UCP_800Duro五軸聯(lián)動加工中心主要技術(shù)參數(shù)

刀具的選用在五軸聯(lián)動加工中十分重要。根據(jù)紡錘螺扇零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本加工均采用材料為硬質(zhì)合金的刀具，規(guī)格有φ12mm立銑刀，φ10mm(圓角R1)立銑刀，φ8mm立銑刀,φ6mm(刃長40mm)立銑刀，倒角刀φ6mm。

2.2 紡錘螺扇加工工藝方案

(1)卡盤裝夾第一面

銑平面(平面銑削)→D12圓柱高速開粗(2D高速刀路)→D50圓柱表面光刀(外形銑削，方便2次裝夾打表)→倒角。

(2)卡盤裝夾第二面

銑平面(平面銑削)→曲面開粗(曲面高速加工)→葉片開粗(曲面高速加工)→曲面精加工(曲面精修等高)→葉片精加工(沿邊五軸，沿面五軸)→粗銑孔(全圓銑削)→精銑孔(外形銑削)→倒角。

3 加工優(yōu)化

根據(jù)紡錘螺扇的加工工藝，主要進(jìn)行以下優(yōu)化。

3.1 粗加工高速切削

優(yōu)化前挖槽粗加工切削狀態(tài)既有順銑又有逆銑，刀具直徑12mm，切削刀寬ae設(shè)定值為刀具直徑的70%，即為8.4mm，往復(fù)加工，側(cè)壁預(yù)留量0.2mm，分層加工ap6.5mm，材料為鋁，根據(jù)切削速度公式：

VC=3.14×D×N/1000，

(1)

進(jìn)給速度F(mm/min)=S×Z×N。

(2)

式中，D為刀具直徑；N為主軸轉(zhuǎn)速；S為每刃進(jìn)給量；Z為刀具刃數(shù)；VC為切削速度。

計(jì)算得出：VC= 3.14×12×3000/1000=113.04m/min；F=0.1×4×3000=1200mm/min

生成報(bào)表后，具體參數(shù)如下：

CLEARANCE PLANE: 50.0mm RETRACT PLANE: 25.0mm

FEED PLANE: 10.0mm DEPTH: -12.0mm

STOCK TO LEAVE: 0.2mm PROGRAM NUMBER: 0

SPINDLE SPEED: 3000 恒轉(zhuǎn)速 FEEDRATE: 1200.0 mm /min

CYCLE TIME: 0h, 1min, 29s

對于刀具壽命損耗來說也非常大，加工路徑如圖3所示。

改進(jìn)過程：先把標(biāo)準(zhǔn)的挖槽切換成Mastercam2017中的2D高速刀路，其中參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，切削方向設(shè)定順銑，步進(jìn)量根據(jù)F進(jìn)給速度的限定設(shè)是刀具直徑的15%，即為1.8mm，最小刀路半徑是刀具直徑的10%，即1.2mm，側(cè)壁預(yù)留量0.2mm，不進(jìn)行分層(側(cè)刃切削ae始終保持在刀具直徑25%以內(nèi)時可選擇最大切削深度)，重要的是加工始終設(shè)定為動態(tài)銑削。優(yōu)化后生成報(bào)表，具體參數(shù)如下：

CLEARANCE PLANE: 50.0mm RETRACT PLANE: 25.0mm

FEED PLANE: 10.0mm DEPTH: -12.0mm

STOCK TO LEAVE: 0.2mm PROGRAM NUMBER: 0

SPINDLE SPEED: 3000 恒轉(zhuǎn)速 FEEDRATE: 1200.0 mm /min

CYCLE TIME: 0 h, 1 min, 00 s

優(yōu)化后同樣的切削參數(shù)設(shè)定，其粗加工切削狀態(tài)始終保持順銑，切削寬度ae成為固定值，加工深度提升，加工總時長縮短了1/3，即保證了加工效率又能延長刀具壽命，見圖4。

圖3 優(yōu)化前mastercam加工路徑圖 圖4 優(yōu)化后mastercam加工路徑圖

3.2 等高曲面切入紋路優(yōu)化

進(jìn)行等高曲面精加工時，每次等高的進(jìn)刀處都會形成一道切痕(見圖5)。這是由于曲面的加工間隙是由一條條的線組成的臺階再形成的面，當(dāng)曲線與曲線直接直線連接時，在表面就會形成這個痕跡。

圖5 優(yōu)化前刀路示意圖

為了加工出漂亮的曲面又不產(chǎn)生切痕，必須避免產(chǎn)生痕跡，具體修改參數(shù)如下：

Z軸步進(jìn)量設(shè)定0.1mm，保持Z路徑由上而下，2刀具切削間隙調(diào)整為0(每層抬刀)，2區(qū)間段路徑過渡方式選擇直線，在共同參數(shù)的移動方式中選擇最短距離進(jìn)行連接，并且進(jìn)退到設(shè)置0.5小圓弧，安全高度50mm，完成后如圖5所示相應(yīng)位置。根據(jù)上述參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果對比如圖6所示，可見表面切痕基本消除。

圖6 優(yōu)化后效果示意圖

3.3 葉片曲面弧度優(yōu)化

在此紡錘螺扇結(jié)構(gòu)中，此曲面屬于一個直紋面，如圖7所示。

圖7 1/3螺扇曲面示意圖

但是當(dāng)我們進(jìn)行五軸加工時卻得到了如圖8所示的曲面。

圖8 錯誤螺扇曲面示意圖

同樣的直紋面產(chǎn)生了2種結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在2葉片的中間有一個圓錐的曲面結(jié)構(gòu)，由于軟件在刀路計(jì)算過程中把上下曲線進(jìn)行了均布連接處理，導(dǎo)致加工出了錯誤的螺扇曲面，為了避免這種情況的產(chǎn)生，需要先把曲面刪除，只剩下曲線結(jié)構(gòu)，并且保證曲線沒有組合成單一曲線，再經(jīng)過單線條直紋連接得出正確曲面見圖9。然后用Mastercam2017五軸沿邊刀路進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，具體如下：

(1)切削方式

壁邊：全選曲面，切削方向：單向，補(bǔ)正方式：電腦自動，補(bǔ)正方向：左，壁邊預(yù)留量：0.2～0(半精至精加工)，切削公差0.01mm，最大步進(jìn)量0.1mm，開始點(diǎn)：由第一壁邊開始點(diǎn)進(jìn)入。

(2)刀軸控制

輸出方式：5軸，旋轉(zhuǎn)軸：X軸，切削增加角度：0.2°，將刀路轉(zhuǎn)角減至最小。

經(jīng)過改進(jìn)后得到如圖9所示曲面。

圖9 正確螺扇曲面示意圖

3.4 表面粗糙度優(yōu)化

紡錘螺扇的粗糙度一定程度上決定了空氣流通的阻力大小及核電冷卻汞的冷卻效果，如何提高葉片的粗糙度是關(guān)鍵。由于葉片有負(fù)角，在加工時又受機(jī)床剛性，刀具材料，切削狀態(tài)等復(fù)雜因素影響，要改善必須克服這些困難，在改善前葉片的粗糙度經(jīng)粗糙度檢測儀測得如圖10所示，Ra值為0.0061mm。

圖10 檢測示意圖

粗糙度優(yōu)化根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場條件主要做了以下幾點(diǎn)：

(1)制作專用夾具以增強(qiáng)夾持的剛性；

(2)刀具材料改進(jìn)(由硬質(zhì)合金改成陶瓷刀具)；

(3)切削參數(shù)優(yōu)化(精加工余量從0.1減少0.05，分層銑削，降低轉(zhuǎn)速，F(xiàn)進(jìn)給限制在F200)；

(4)保持恒溫加工；

(5)使用液壓刀柄。

改善后的葉片粗糙度，經(jīng)過粗糙度儀檢測得到如圖11所示，Ra值為0.0031mm。

圖11 優(yōu)化后粗糙度報(bào)表

3.5 參數(shù)公式化

在MasterCAM的很多刀路中都支持計(jì)算公式功能，共有5份自帶的公式文件，其中Default.Formula是默認(rèn)文件，其它都是針對不同材料的模版文件，套用現(xiàn)成自帶的參數(shù)往往達(dá)不到個人的匹配需求，因此需要設(shè)定合適的公式文件。

根據(jù)文件結(jié)構(gòu)修改對應(yīng)的參數(shù)來達(dá)到要求，我們截取其中一段舉例：

(@DIAMETER * 0.10)

其中這里指的參數(shù)設(shè)定對1，即為“分層深度”，而值是@DIAMETER×0.10，也就是刀具直徑×0.1，假如本研究的刀具直徑為10，按照設(shè)定10×0.1=1，對應(yīng)的值剛好是1。如果銑削軟的材料，可以把切深改的深一點(diǎn)，如改成刀具直徑的50%,只要將此處公式改為@DIAMETER×0.50保存即可，這樣當(dāng)用任何刀具時，對應(yīng)命令中的參數(shù)就能自動變成刀具直徑的50%，那么根據(jù)毛坯材料(鋁)以及刀具材料(硬質(zhì)合金)設(shè)定相關(guān)參數(shù)如下(截取一段舉例)：

(@DIAMETER * 0.25)

找到對應(yīng)的關(guān)系就能根據(jù)加工不同材料自動加載預(yù)設(shè)的值設(shè)定相關(guān)參數(shù)，做好公式文件，可以大幅度提高加工效率。

4 實(shí)體檢驗(yàn)

經(jīng)過一系列的加工優(yōu)化，從最開始發(fā)生的過切，曲面曲率錯誤，刀路空走刀，刀軸方向錯誤，A/C軸不走最近路徑等等，到最后完善加工NC，調(diào)整后置，調(diào)整加工剛性等，最終效果如圖12所示，在保證基本尺寸公差的前提下，使螺扇的曲面粗糙度達(dá)到使用要求，并對加工過程提出了優(yōu)化方案。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后 圖12 螺扇優(yōu)化前后對比圖

5 結(jié)論

五軸加工制造的優(yōu)化是無止境的，一個新產(chǎn)品的工藝優(yōu)化要想相對合理，一般都需要花較長的時間，這個過程中需要反復(fù)的模擬實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際切削試驗(yàn)，其中的刀路規(guī)劃、刀軸控制、表面粗糙度、震動控制、后置處理、刀具選用等等相關(guān)技術(shù)都需要優(yōu)化，本文通過對核電冷卻汞關(guān)鍵零部件紡錘螺扇的工藝優(yōu)化，針對切削方式的合理選用、避免部分常規(guī)刀路的切痕、提高表面粗糙度、曲面弧度優(yōu)化、參數(shù)公式化這5個方面進(jìn)行了解析，減少了加工時間和成本，并完成了更高質(zhì)量的螺扇加工，提升了核電冷卻汞的冷卻效果，以此驗(yàn)證優(yōu)化的有效性，為曲面精加工提供參考價值。