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        機(jī)匣類零件數(shù)控磨拋加工技術(shù)研究

        2021-05-26 06:51:16孫玉民康靖宇宋亮鵬趙世鵬
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年5期
        關(guān)鍵詞:機(jī)加陶瓷纖維飛邊

        孫玉民 康靖宇 宋亮鵬 趙世鵬

        (中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043)

        0 引言

        目前,機(jī)匣類零件在數(shù)控機(jī)床上加工后會(huì)產(chǎn)生較多的飛邊毛刺,機(jī)加產(chǎn)生的毛刺是指零部件在加工過程中所派生出多余的部分,這些多出的部分可以統(tǒng)稱為毛刺,產(chǎn)生過程包括車、銑、鉆以及鉸等多種加工方法[1]。部分飛邊毛刺無法在數(shù)控機(jī)床上使用正反倒角刀、倒圓刀、球銑刀等刀具進(jìn)行加工去除,需要由打磨鉗工進(jìn)行手動(dòng)磨拋。隨著生產(chǎn)任務(wù)的增加,打磨鉗工的工作量逐漸累積,且手動(dòng)磨拋的質(zhì)量穩(wěn)定性較差,存在加工遺漏的問題。

        該研究通過尋找并試驗(yàn)數(shù)控磨拋加工方法,完成對(duì)特殊位置飛邊毛刺的數(shù)控去除,減少了打磨鉗工的工作量,提高了磨拋加工的質(zhì)量穩(wěn)定性,為自動(dòng)化加工進(jìn)行拓展及技術(shù)儲(chǔ)備。

        1 機(jī)匣類零件概述

        機(jī)匣類零件通常存在多種類型的加工特征,例如凸臺(tái)、型腔、深槽以及型面等,這些特征的加工過程中材料去除量大,加工后會(huì)殘留大量的飛邊毛刺,如圖1所示,手動(dòng)去除困難;同時(shí)加工過程中存在較多的鉗工拋修工序,這些工序全部由鉗工操作者進(jìn)行手動(dòng)加工,大量的人為干預(yù)導(dǎo)致批生產(chǎn)零件的表面質(zhì)量及制造符合性一直得不到穩(wěn)定的控制,零件修磨返工率高,表面粗糙度一般為Ra12.5~Ra6.3,無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。

        圖1 機(jī)加后殘留飛邊毛刺示意圖

        該研究通過對(duì)數(shù)控磨拋方法的研究及應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)機(jī)匣類零件大部分共性特征鉗工打磨內(nèi)容的數(shù)控加工轉(zhuǎn)產(chǎn),用數(shù)控拋光打磨加工技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉗工打磨,提高了零件質(zhì)量穩(wěn)定性及制造符合性,以滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化要求。

        2 難點(diǎn)分析

        目前現(xiàn)場(chǎng)打磨去毛刺工作大部分由鉗加工操作者手動(dòng)去除,缺少數(shù)控磨拋的加工經(jīng)驗(yàn),以及對(duì)相關(guān)工具加工參數(shù)及加工效果的了解。

        進(jìn)行數(shù)控磨拋加工,其選用的磨拋工具及其運(yùn)行的參數(shù)對(duì)磨拋加工效果有最直接的影響。針對(duì)不同的加工特征及不同的技術(shù)需求,選擇合適的磨拋工具及其加工運(yùn)行參數(shù),是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化磨拋的關(guān)鍵。針對(duì)不同的特征結(jié)構(gòu),可以選用端面刷、圓周刷、內(nèi)孔刷、打磨盤、砂帶以及球頭刀等磨拋工具;針對(duì)不同的技術(shù)要求,可以通過控制磨拋工具的旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度、壓緊量以及走刀次數(shù)等,得到不同的去除量及表面質(zhì)量。

        3 磨拋特征分析

        對(duì)該機(jī)匣類零件的全部鉗加工打磨位置進(jìn)行分析,確定磨拋特征類型,并確定其初設(shè)加工方案。通過梳理目前的工藝狀態(tài),初步確定能夠由數(shù)控磨拋加工的鉗工特征為:機(jī)加位置倒圓倒角特征、加工面向非加工面過渡特征、機(jī)加邊緣飛邊毛刺特征、接刀痕特征。

        3.1 機(jī)加位置倒圓倒角特征

        該類特征大部分可以通過數(shù)控設(shè)備加工達(dá)到要求,但是個(gè)別受到設(shè)備、加工位置、工具工裝限制的部位,仍然需要鉗工手動(dòng)進(jìn)行工作,如圖2所示。針對(duì)“機(jī)加位置倒圓倒角特征”余量小、精度要求高、不可對(duì)周邊位置產(chǎn)生不利影響等特點(diǎn),制定加工方案為使用倒圓刀或鋼毛刷對(duì)銳邊進(jìn)行倒圓加工,使用倒角刀對(duì)孔及型面的倒角進(jìn)行加工。

        3.2 加工面向非加工面過渡特征

        該類特征存在于大部分鑄造零件中,由于鑄件存在大量非加工表面,必然會(huì)產(chǎn)生大量的過渡特征,因此過渡位置的處理較為困難。針對(duì)“加工面向非加工面過渡特征”存在較為廣泛、涉及面積較大、通常會(huì)有銳邊殘留等特點(diǎn),初步制定加工方案:首先使用千葉輪對(duì)交接位置的銳邊進(jìn)行打磨,使交接位置的過渡圓滑;其次使用柔性刷對(duì)表面進(jìn)行拋修,保證表面質(zhì)量。

        3.3 機(jī)加邊緣飛邊毛刺特征

        該類特征通常是由于加工位置尺寸復(fù)雜、無法通過機(jī)械加工方法有效去除的位置,該類型特征位于機(jī)加表面交接處,受到兩側(cè)加工面的影響,但通常余量較小。針對(duì)“機(jī)加表面飛邊毛刺特征”位于機(jī)加交接面、余量小、精度要求高以及位置復(fù)雜等特點(diǎn),制定加工方案:存在一定余量的位置使用銼刀去除菱角,余量較小時(shí)使用鋼毛刷進(jìn)行銳邊拋光。

        圖2 機(jī)加位置倒圓倒角特征

        3.4 接刀痕特征

        該類特征存在于2次加工刀路的交叉位置,接刀痕通常位于平面,相對(duì)較為明顯,但余量較小。針對(duì)“接刀痕特征”表面開闊、余量小以及影響外觀等特點(diǎn),制定加工方案為使用砂帶對(duì)接刀痕整體進(jìn)行拋修,然后使用鋼毛刷對(duì)表面進(jìn)行拋修。

        4 加工工具試驗(yàn)

        4.1 現(xiàn)有工具試驗(yàn)與分析

        數(shù)控機(jī)床主要使用的是正反倒角刀、專用倒圓刀和球銑刀等,受刀具結(jié)構(gòu)尺寸的限制,無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面的加工,尤其對(duì)于鑄造件、焊接件等尺寸不固定的位置,使用該類刀具進(jìn)行數(shù)控加工極易導(dǎo)致相關(guān)尺寸超差。

        打磨鉗工主要使用手動(dòng)磨拋工具進(jìn)行零件光整加工,分為3類:1)直接抓持類工具。2)安裝在手持式氣磨機(jī)類硬接觸工具。3)安裝在手持式氣磨機(jī)類軟接觸工具。

        初步試驗(yàn)內(nèi)容為嘗試是否可以使用鉗工工具在數(shù)控設(shè)備進(jìn)行仿形加工,通過現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證得出:1)銼刀、砂紙和油石等直接抓持類工具無法在數(shù)控設(shè)備使用,排除該類工具。2)硬接觸類工具在機(jī)床上與零件接觸時(shí)震動(dòng)過大,弊端同球銑刀且質(zhì)量更差。3)軟接觸類工具的刀柄位置精度不足,回轉(zhuǎn)時(shí)偏擺較大,且尺寸控制效果差。

        由于數(shù)控機(jī)床不具備鉗工的視覺識(shí)別能力和多維度力控能力,在現(xiàn)有條件下直接使用鉗工工具進(jìn)行數(shù)控磨拋加工,不具備可行性。如果計(jì)劃實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)磨拋,在不進(jìn)行設(shè)備改造的前提下,需要選擇1種兼顧切削力與適應(yīng)性的磨拋工具。

        4.2 數(shù)控磨拋工具探索

        現(xiàn)有的鉗工磨拋工具無法使用,需要繼續(xù)探索可以應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的工具。

        通過與加工刀具及磨拋工具的相關(guān)技術(shù)人員交流,進(jìn)行了纖維刷、銅絲刷、尼龍刷、碳化硅/氧化鋁磨盤、橡膠旋風(fēng)輪、羊毛刷等工具的試驗(yàn)。纖維刷加工適應(yīng)性較好,磨損較低,但是切削力較差,不能對(duì)飛邊進(jìn)行有效加工,可以去除微小的二次毛刺。銅絲刷的加工適應(yīng)性較好,切削力一般,磨損較為嚴(yán)重,由于工具整體規(guī)格較小、黃銅絲較少,在加工過程中黃銅絲斷裂損耗過快。尼龍刷同樣存在切削力較差的問題,對(duì)于飛邊類特征加工效果差。其余磨拋工具均為光整用工具,可以在數(shù)控機(jī)床上使用,但是只在表面光整方面有效,飛邊毛刺去除能力依然較差,工具在加工過程中被飛邊割傷嚴(yán)重。

        綜上所述:在數(shù)控機(jī)床去除非特定尺寸位置的飛邊毛刺,需要選用具備一定適應(yīng)性的工具,但具備適應(yīng)能力的工具又通常存在切削力低及自身強(qiáng)度差的缺陷。

        根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),繼續(xù)探索并試驗(yàn)新型數(shù)控磨拋工具。

        金剛石磨盤類工具,其內(nèi)圈為金屬材質(zhì)、外圈為橡膠材質(zhì)、表面鑲嵌一層金剛石磨料的盤形打磨輪;刀柄后部有臺(tái)階,更換刀具可定刀長;前端磨盤可快換,提高工具更換速度;磨盤直徑有φ16 mm、φ3 mm、φ36 mm、φ54 mm等規(guī)格。該工具面層的金剛石磨料具備較好的切削能力、外圈的橡膠具備一定的適應(yīng)能力,可實(shí)現(xiàn)飛邊的去除;但磨損較快,當(dāng)面層磨料損傷后基本失去切削能力,且適應(yīng)性有限,當(dāng)面對(duì)尺寸偏差大的位置時(shí)效果不佳。

        陶瓷纖維研磨刷類工具如圖3所示,其由陶瓷材料及氧化鋁纖維制成,是新型無機(jī)陶瓷纖維,具有高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好和耐高溫等優(yōu)良性能[2]。每根線材有近千個(gè)切削刃,以研磨顆粒做成的尼龍刷的切削材料含有率僅為20%,陶瓷纖維刷的切削材料含有率約為80%,具有非常高的切削能力;其主要用于去除飛邊毛刺、進(jìn)行表面研磨等工作,質(zhì)量穩(wěn)定性高、加工效率高。

        陶瓷纖維研磨刷具有切削力高、切削力穩(wěn)定持續(xù)和線材不變形等特點(diǎn)。其磨拋加工的優(yōu)勢(shì)包括可以適應(yīng)大多數(shù)材料,不產(chǎn)生二次毛刺,提高加工表面的表面粗糙度,可干濕兩用(濕式加工更有利于提高表面粗糙度及延長工具的壽命),其在加工橫向毛刺時(shí),逆銑加工比順銑加工效果更佳。

        圖3 陶瓷纖維研磨刷示意圖

        陶瓷纖維研磨刷加工參數(shù)設(shè)定:該工具有嚴(yán)格的加工參數(shù)要求,針對(duì)不同的去除量及表面粗糙度需求,應(yīng)選用適宜的加工參數(shù),加工參數(shù)選用見表1,加工時(shí)不可超過其規(guī)定的轉(zhuǎn)速上限。

        表1 陶瓷纖維端面刷加工參數(shù)表

        陶瓷纖維內(nèi)孔專用刷也是陶瓷纖維刷的1種,通過主軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力進(jìn)行磨拋切削加工,設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速必須達(dá)到8000 rpm以上,內(nèi)孔刷可以去除零件內(nèi)側(cè)貫穿孔邊緣的飛邊毛刺,刷子靜止時(shí)的直徑尺寸D適用于加工的孔徑尺寸為1.7D~2.7D。

        使用方法有4個(gè):1)在工具未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下深入孔內(nèi),工具最前端經(jīng)過待加工交叉孔。2)在經(jīng)過交叉孔的位置旋轉(zhuǎn)工具。3)沿工具軸線方往復(fù)運(yùn)動(dòng)。4)停止工具的旋轉(zhuǎn),退出工具。

        球頭去毛刺銑刀使用AlTiCrN材料制作的球頭去毛刺銑刀。AlTiCrN涂層能夠顯著提升刀具的耐磨性能[3],該球頭去毛刺銑刀具有高耐熱性、高強(qiáng)度以及長壽命等特點(diǎn),適用于機(jī)加后尺寸較為固定、尺寸形狀較為復(fù)雜的型面的正反倒角光整。

        4.3 數(shù)控磨拋工具的應(yīng)用

        綜合考慮工具的適用性、零件特征種類、數(shù)控設(shè)備自身?xiàng)l件等因素,應(yīng)遵循:“使用盡量少種類的工具、用盡量高的加工效率、去除盡量多的飛邊毛刺”原則,選用較為通用的磨拋工具,使用較少的設(shè)備刀位及占機(jī)時(shí)間。

        根據(jù)每臺(tái)加工中心主要加工零件的特點(diǎn),配備各類陶瓷纖維研磨刷、球頭去毛刺銑刀等相適用的工具,將數(shù)控磨拋加工技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)。

        陶瓷纖維研磨刷、球頭去毛刺銑刀以及其他磨拋工具均有其明確的尺寸規(guī)格,在程序編制時(shí),按照常規(guī)數(shù)控加工編程方式編制其加工程序;對(duì)于刷類軟接觸工具,需在刀長方向按要求相應(yīng)增加過切量。

        根據(jù)目前工段主要加工零件的結(jié)構(gòu)特征,將磨拋內(nèi)容進(jìn)行分類并匹配相適應(yīng)的工具,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn):1)對(duì)于各類安裝座邊緣、支板銳邊的毛刺,空間較為開闊的,均可以選用陶瓷纖維端面刷進(jìn)行加工去除。陶瓷纖維端面刷可以較好地適應(yīng)由鑄造、焊接等因素導(dǎo)致的實(shí)際尺寸不確定的問題,按理論邊緣位置進(jìn)行加工,基本可實(shí)現(xiàn)該類特征飛邊毛刺的去除,但是尺寸偏差可能會(huì)導(dǎo)致加工效果差異,可以適當(dāng)調(diào)整上刀量進(jìn)行調(diào)整。2)對(duì)于各類安裝邊側(cè)面的毛刺,空間狹小、不便于刀具端面接觸的,可酌情選用陶瓷纖維周向刷進(jìn)行加工去除。3)對(duì)于各類正、反倒角,可選用球頭去毛刺銑刀進(jìn)行銑加工去除,若尺寸范圍合適,可實(shí)現(xiàn)使用一把刀具對(duì)多種規(guī)格孔口的正、反尖邊進(jìn)行倒鈍加工。

        5 結(jié)論

        通過尋找并試驗(yàn)各種類型數(shù)控機(jī)床用的磨拋加工工具,實(shí)現(xiàn)了在數(shù)控機(jī)床上對(duì)特殊位置的飛邊毛刺進(jìn)行自動(dòng)化去除,減少了打磨鉗工的工作量,提高了磨拋加工的質(zhì)量穩(wěn)定性。通過對(duì)數(shù)控機(jī)床用磨拋工具的探索與試驗(yàn),得到可用于生產(chǎn)需求的工具,為自動(dòng)化磨拋加工進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備;得到各類磨拋工具的數(shù)控加工效果,使用方法及加工參數(shù),可以根據(jù)實(shí)際需求選用相應(yīng)的工具進(jìn)行生產(chǎn)。

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