鄧文星， 宋燕林， 閆佳佳， 張恒， 馮奎兵

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 工藝處，山西長(zhǎng)治046012）

0 引言

某鉤子形狀復(fù)雜，不易裝夾，尺寸、輪廓同軸度等精度要求較高，尺寸精度不容易保證且批量較大，一直是公司加工中的“瓶頸”問題。其三維模型如圖1所示。該件材料為低溫合金鋼，40Cr 鍛件，調(diào)質(zhì)硬度為38～40 HRC。此工件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、加工面較多、技術(shù)要求高、機(jī)械加工量大[1]。本文選取主要加工面為A、B、C 作 為 研究對(duì)象。

1 工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 加工分析

圖1 零件三維模型

根據(jù)數(shù)控加工一次裝卡盡可能完成多個(gè)輪廓的原則[2]：因A面輪廓要素較多，所以首先加工A面，在A面加工完成后，在設(shè)備上通過測(cè)頭直接檢測(cè)中間φ20孔公差，尺寸合格后方可下貨，不合格則補(bǔ)加工。加工完成A面后，對(duì)B面加工時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)加工完成的面是異形面，無法采用傳統(tǒng)方式裝夾，此時(shí)需要設(shè)計(jì)制作一套由左、右兩個(gè)工裝組成的專用工裝，用于固定已加工好的A面，先將左、右兩工裝進(jìn)行脫模分解，將產(chǎn)品放入工裝中，用虎鉗夾緊，然后采用機(jī)床測(cè)頭進(jìn)行自動(dòng)對(duì)刀找正，保證兩個(gè)孔位同軸度。加工C面時(shí)采用工裝定位后，在機(jī)床自動(dòng)對(duì)刀找正，對(duì)產(chǎn)品根部進(jìn)行清角，保證尺寸精度。

1.2 刀具選擇

粗銑加工時(shí)期望提高材料去除率，常用刀具為方肩銑，常用銑削刀路如圖2所示。因其采用大切深大切寬來滿足材料去除率的要求，所以加工效率高[3]。然而，對(duì)此產(chǎn)品進(jìn)行開粗時(shí)，因材料硬度較高，采用方肩銑加工時(shí)，易導(dǎo)致刀具和工件接觸時(shí)間長(zhǎng)、切削溫升快、刀具顫動(dòng)大，加工過程不穩(wěn)定，進(jìn)而影響刀具使用壽命，增加刀具成本和降低加工效率，因此不選用該類型刀具進(jìn)行開粗。

圖2 常用銑削刀路軌跡圖

為攻克技術(shù)難關(guān)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)主動(dòng)摒棄傳統(tǒng)加工方法，采用刀具成本較低的高速銑削刀具進(jìn)行開粗，并在德瑪吉DMU125P五軸加工中心采用VORTEX旋風(fēng)銑加工[4]。該方法加工過程中刀具包角一直處于較小的狀態(tài)，刀具負(fù)載在每一個(gè)擺線循環(huán)中都經(jīng)歷了從小到大然后再變小的過程，不會(huì)出現(xiàn)刀具負(fù)載的突變，從而可以有效減少刀具的顫動(dòng)、磨損。在每一次刀具公轉(zhuǎn)走刀循環(huán)過程中，都包含了切削過程和非切削過程，處于切削狀態(tài)的時(shí)間較少，徑向的切削寬度從零開始逐漸增加到最大，然后再逐漸減小到零。切削力也經(jīng)歷著從零增大再減小的過程。由于切削力較小，可以適應(yīng)各種加工余量的變化，從而降低加工余量突變對(duì)刀具的破壞。VORTEX旋風(fēng)銑刀路如圖3所示。此刀具加工方法的成功應(yīng)用，對(duì)硬度高、調(diào)質(zhì)黏性大等難加工的材料具有很好的借鑒作用，如高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼等材料。

圖3 VORTEX 旋風(fēng)銑削刀路軌跡圖

經(jīng)過比較，選取某品牌φ32 mm高速銑刀具，該刀具呈三角形，正反兩面共計(jì)6個(gè)刀刃，經(jīng)過測(cè)試，每組刀刃可加工產(chǎn)品兩件，一組三片刀片可加工產(chǎn)品12件，屬于高效低成本刀具。

1.3 加工工藝

1）通用虎鉗裝夾產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品A面全輪廓進(jìn)行加工，在機(jī)檢測(cè)孔公差和全輪廓過渡；2）專用工裝作為墊鐵放在虎鉗上，對(duì)產(chǎn)品B面進(jìn)行加工，保證厚度和孔同軸度；3）豎立工裝2裝夾，對(duì)產(chǎn)品C面進(jìn)行加工，完成斜面及清角。

1.4 工裝設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)成員通過集智攻關(guān)，建立產(chǎn)品三維模型，然后對(duì)其進(jìn)行脫模分解，將其中尺寸要點(diǎn)進(jìn)行提取并設(shè)計(jì)合適的工裝。由于鉤子為異形件，通過仿形設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一組專用工裝（由左、右兩個(gè)工裝組成）。先將左、右兩工裝進(jìn)行脫模分解，將產(chǎn)品放入工裝中，用虎鉗夾緊，然后采用機(jī)床測(cè)頭進(jìn)行自動(dòng)對(duì)刀找正，保證兩個(gè)孔位同軸度。工裝三維圖如圖4所示，工裝實(shí)物圖如圖5所示。

2 模擬加工

2.1 A面VORTEX旋風(fēng)銑削

采用某軟件的VORTEX旋風(fēng)銑功能，在加工時(shí)刀具切寬恒定，沒有滿吃刀現(xiàn)象，通過旋風(fēng)銑功能，能有效降低機(jī)床載荷和刀具顫動(dòng)，最大程度發(fā)揮機(jī)床和刀具的高速加工優(yōu)勢(shì)[5]，旋風(fēng)銑開粗加工切削速度為前者的4～5倍，并且沒有“打刀”的風(fēng)險(xiǎn)。A面VORTEX旋風(fēng)銑削三維軌跡如圖6所示。

圖4 工裝三維圖

圖5 工裝實(shí)物圖

圖6 A面VORTEX 旋風(fēng)銑削三維軌跡圖

2.2 補(bǔ)加工與精加工

開粗后用φ12 mm飛刀進(jìn)行二次開粗，對(duì)需清角的位置進(jìn)行清角，然后再采用φ32 mm玉米銑刀進(jìn)行預(yù)精加工，光整上平面。最后用φ12 mm硬質(zhì)合金刀進(jìn)行精加工。硬質(zhì)合金銑削刀具螺旋角越大，工件與刀刃的接觸線越長(zhǎng)，在單位長(zhǎng)度的刀刃上載荷就越小，切削越輕便，所以選擇刀具螺旋角為42°的硬質(zhì)合金刀進(jìn)行精光。A面清角如圖7所示。產(chǎn)品在加工后進(jìn)行全輪廓倒角，采用φ16、45°倒角刀對(duì)產(chǎn)品全輪廓進(jìn)行C0.2的倒角，使產(chǎn)品質(zhì)量更高。使用全輪廓倒角后，僅需要對(duì)根部大約5 mm的長(zhǎng)度進(jìn)行修挫即可。

3 實(shí)施效果

通過采用工裝、VORTEX旋風(fēng)銑削后，生產(chǎn)效率提高4倍以上，產(chǎn)品一次交驗(yàn)合格率達(dá)到百分之百，公差及精度得到更好的保證。加工過程如圖8所示，最終成品如圖9所示。

圖7 A面清角示意圖

圖8 加工過程實(shí)物圖

4 結(jié) 論

1）采用VORTEX旋風(fēng)銑開粗功能，可實(shí)現(xiàn)高硬度材質(zhì)異形復(fù)雜件高效銑削，極大提高生產(chǎn)效率，也為硬度高、調(diào)質(zhì)黏性大等難加工的材料提供了解決思路。

2）通過異形件仿形設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出適合本件的脫模工裝，實(shí)現(xiàn)一個(gè)工裝兩個(gè)面裝夾定位，解決了中小型異形件不易裝夾的技術(shù)難題。

圖9 最終產(chǎn)品實(shí)物圖

3）采用多軸加工設(shè)備進(jìn)行異形復(fù)雜件加工，實(shí)現(xiàn)在機(jī)表面加工、全輪廓倒角及檢測(cè)一體化，避免了使用專用刀具成本較高的弊端，同時(shí)大大節(jié)約人力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。