韓利萍,解亞波,周 斌,武瑞剛，李申龍，張艷文

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司,山西 長治 046012)

0 引言

具有開放島嶼、封閉、半封閉型腔等結(jié)構(gòu)的箱體類零件廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品，此類零件形狀復(fù)雜，去除切削余量不均勻，材料硬度高，在DMG85P機(jī)床上采用傳統(tǒng)加工方式分層銑削加工，切削抗力不穩(wěn)定，尤其是在交叉拐角處刀具負(fù)載瞬時(shí)加大，機(jī)床振動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)床負(fù)載一度上升到紅色警戒線；常常會(huì)出現(xiàn)刀具切削刃崩碎失效和后刀面嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致零件加工效率低和刀具成本增高，嚴(yán)重制約生產(chǎn)進(jìn)度。因此，對此類工件進(jìn)行工藝優(yōu)化研究具有極大意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文在用動(dòng)態(tài)銑削替代傳統(tǒng)端銑刀分層銑削方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮刀具優(yōu)選和切削參數(shù)對切削過程的影響，針對性地采取了有效措施，以確保生產(chǎn)效率的提升和刀具成本的降低。

1 零件工藝分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)

某產(chǎn)品后閉鎖機(jī)構(gòu)的箱體零件如圖1所示。零件由不規(guī)則輪廓、變直徑階梯孔和封閉型腔組成，封閉型腔去除余量大，選用直徑為Φ160 mm的30CrMnSiA圓鋼粗加工為六面體(如圖1所示)，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理到HRC30～HRC34后再加工而成，材料硬度高，切削余量不均勻。

圖1 箱體零件

1.2 加工難點(diǎn)分析

后閉鎖機(jī)構(gòu)箱體零件難加工問題有以下幾點(diǎn)：

(1)零件形狀復(fù)雜，由不規(guī)則輪廓和變直徑階梯孔構(gòu)成，金屬去除率高達(dá)50%，加工余量大。

(2)加工過程中切削抗力不穩(wěn)定，尤其是在交叉拐角處刀具負(fù)載瞬時(shí)加大，機(jī)床振動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)床負(fù)載瞬時(shí)加大，導(dǎo)致刀具切削刃崩碎失效和后刀面嚴(yán)重磨損。

(3)零件部分加工要素為封閉型腔結(jié)構(gòu)，在加工過程中排屑不通暢，進(jìn)而引發(fā)卡屑、刀片崩損、振刀，腔內(nèi)的廢屑會(huì)對刀具造成二次傷害，加快刀具磨損和引起機(jī)床振動(dòng)。

(4)材料調(diào)質(zhì)硬度高達(dá)HRC30～HRC34，刀具磨損快，刀具成本居高不下。

2 動(dòng)態(tài)銑削和傳統(tǒng)分層銑削方式分析對比

分層銑削側(cè)吃刀量大而背吃刀量相對較小；動(dòng)態(tài)銑削是充分利用刀具的有效切削刃長度，使用大的背吃刀量、小的側(cè)吃刀量、高主軸轉(zhuǎn)速和高切削進(jìn)給速度，是實(shí)現(xiàn)刀具高速切削的一種加工方法，該加工方法適用于加工深度大于8 mm、小于60 mm的封閉、半封閉型腔和開放性島嶼零件的粗加工。

2.1 動(dòng)態(tài)銑削和傳統(tǒng)分層銑削加工效率分析對比

(1)單位時(shí)間金屬去除率。金屬去除率計(jì)算公式為：

金屬去除率=apaevf.

其中：ap為背吃刀量；ae為側(cè)吃刀量；vf為進(jìn)給速度。

動(dòng)態(tài)銑削和傳統(tǒng)分層銑削加工的金屬去除率如表1所示。從表1中可知，相同規(guī)格刀具在選擇相同的進(jìn)給速度時(shí)動(dòng)態(tài)銑削比分層銑削金屬切除率高。

表1 金屬去除率表

(2)刀具加工路徑分析。圖2為動(dòng)態(tài)銑和分層銑刀路對比。

圖2 動(dòng)態(tài)銑和分層銑刀路對比

2.2 動(dòng)態(tài)銑削和分層銑削輪廓拐角處路徑對比

對兩種切削方式在交叉拐角處的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行對比，如圖3所示。動(dòng)態(tài)銑削軌跡是以圓弧切入的方式一層一層地切削，逐步漸進(jìn)，不會(huì)像分層銑削那樣刀具在加工拐角處忽然變向，所以動(dòng)態(tài)銑削的切削負(fù)載比分層銑削更加穩(wěn)定，徹底避免了因?yàn)榈毒哌^載引起的機(jī)床振動(dòng)和刀具沖擊斷裂。

圖3 動(dòng)態(tài)銑和分層銑拐角路徑對比

通過對兩種切削方式加工路徑進(jìn)行比較，動(dòng)態(tài)銑的刀具在加工過程中只有一次進(jìn)退刀，且刀具全程一直在切削，切削路徑達(dá)到99%。分層銑刀路的刀具在加工過程中每一次的切削都要有進(jìn)退刀，且在輪廓邊緣有空刀路徑，切削路徑在60%～70%。綜上分析動(dòng)態(tài)銑要比分層銑的加工效率高。

2.3 動(dòng)態(tài)銑削和分層銑削加工封閉型腔的區(qū)別

圖4為分層銑削和動(dòng)態(tài)銑削切屑對比。在銑削封閉區(qū)域時(shí)，關(guān)鍵是保證排屑順暢，防止型腔內(nèi)積累的廢屑對刀具造成二次傷害。圖4中，分層銑的切屑是片狀的，動(dòng)態(tài)銑削是絲狀的。絲狀切屑受刀具螺旋角的影響，在高速加工過程中會(huì)在離心力作用下以刀具螺旋角的角度從型腔內(nèi)飛出。另在加工型腔時(shí)選用小的刀具可以盡可能地最大清除加工區(qū)域，縮短二次開粗時(shí)間。

圖4 分層銑削和動(dòng)態(tài)銑削切屑對比

3 工藝解決方案

通過對該零件材料的物理性能(材料硬度高)、加工要素構(gòu)成(開放性島嶼和封閉型腔)和加工設(shè)備性能(DMG85P五軸加工中心，加工性能優(yōu)秀但機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性差)進(jìn)行分析研究，提出用立銑刀動(dòng)態(tài)銑削來替代傳統(tǒng)端銑刀分層銑削的解決方法，通過改變某軟件等高線粗加工策略加工參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)銑削路徑的生成。

4 加工案例

4.1 等高線粗加工參數(shù)設(shè)置

選擇加工策略“等高線粗加工”；設(shè)置參數(shù)最大行距為1.6 mm和期望行距為1.5 mm，行距為切削深度，為保證切削力穩(wěn)定，最大行距理論上不得超過期望行距的20%；設(shè)置層高參數(shù)為10 mm，層高為切削深度，設(shè)置切削軌跡自適應(yīng)，適應(yīng)高度值為0.2 mm；設(shè)置連接參數(shù)，開啟光滑選項(xiàng)；設(shè)置拐角光滑，連接光滑，開啟最短連接模式。等高線粗加工策略參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 等高線粗加工策略加工參數(shù)和連接參數(shù)設(shè)置

4.2 開放島嶼動(dòng)態(tài)銑削路徑的生成

使用動(dòng)態(tài)銑削加工方式，其加工軌跡如圖6所示。在該種切削方式下，加工開放島嶼時(shí)僅有三次抬刀，且不需要對內(nèi)拐角處進(jìn)行二次加工；在加工交叉拐角處采用剝銑策略，層層漸進(jìn)，刀具切削負(fù)載穩(wěn)定；針對小于R25 mm的交叉拐角，可直接采用Ф20 mm刀具銑削。

圖6 動(dòng)態(tài)銑切削開放島嶼加工軌跡

4.3 封閉型腔動(dòng)態(tài)銑削路徑的生成

采用動(dòng)態(tài)銑削方式加工封閉型腔，先采用螺旋銑孔方式切入工件底平面再以等距螺旋線的加工軌跡完成一個(gè)內(nèi)孔，然后通過小半徑R(一般設(shè)置為R1～R3)逐步以圓弧的方式向相鄰區(qū)域進(jìn)刀，接著以大半徑R(恒定切削寬度設(shè)定)擴(kuò)展加工區(qū)域，并逐步延伸至剩余切削區(qū)域。

在整個(gè)加工過程中，區(qū)域間的殘留僅為小半徑R切入時(shí)產(chǎn)生的盲區(qū)，相比較傳統(tǒng)加工區(qū)域殘留余量小了很多。在此過程中，機(jī)床主軸受力均勻，振動(dòng)較小，切削寬度恒定，切削負(fù)載平穩(wěn)，切屑較薄，沿著刀具螺旋角度方向排出，僅用7 min即可完成背面的粗加工，動(dòng)態(tài)銑削加工軌跡如圖7所示。

圖7 動(dòng)態(tài)銑削加工封閉區(qū)域島嶼軌跡

4.4 選用合理的加工刀具

通過加工試驗(yàn)綜合分析選取最優(yōu)刀具，見表2。

表2 刀具優(yōu)選分析統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，Φ20 mm銑刀的刀具壽命為180 min，是Φ16 mm銑刀的6倍、Φ12銑刀的12倍；Φ20 mm銑刀的金屬去除率是Φ16 mm銑刀的1.42倍、Φ12 mm銑刀的2.3倍，所以選擇Φ20 mm的銑刀作為動(dòng)態(tài)銑削開粗刀具。

圖8為加工得到的零件。

圖8 加工得到的零件

4.5 動(dòng)態(tài)銑削有效延長刀具壽命

(1)動(dòng)態(tài)銑削采用恒定切削寬度，保持刀具負(fù)載穩(wěn)定。連續(xù)切削加工使刀具邊緣具有穩(wěn)定的溫度，延長了刀具涂層的壽命。

(2)動(dòng)態(tài)銑削軌跡在尖角和拐角處以圓弧切入逐步漸進(jìn)，消除了刀具突然轉(zhuǎn)向引起的振動(dòng)。

(3)動(dòng)態(tài)銑削使用大的下切步距，使刀具的磨損均勻地分散在整個(gè)刀具的側(cè)刃上。

(4)可以使用精加工后但又沒有達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)合金刀具，或二次刃磨的刀具。

5 結(jié)語

通過使用立銑刀動(dòng)態(tài)銑削替代傳統(tǒng)端銑刀分層銑削，解決了開放島嶼類零件和封閉、半封閉型腔零件粗加工切削負(fù)載過大的問題。在封閉型腔加工過程中，采用動(dòng)態(tài)銑削加工方法再進(jìn)行刀具優(yōu)選(例如型腔拐角圓弧)，通過優(yōu)化切削參數(shù)解決了加工效率低的難題。使用精加工后但又沒有達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)合金刀具可采取二次刃磨，實(shí)現(xiàn)刀具的二次利用。采用新的加工方法之后，機(jī)床負(fù)載穩(wěn)定在5%～10%，加工效率提高了60%，刀具成本降低了大約40%。