基于CATIA的壁板零件數(shù)控高速加工

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司 (遼寧 110689) 齊智勇

近年來，隨著新型軍民用飛機(jī)性能的不斷提升，其大型機(jī)翼結(jié)構(gòu)上采用整體鋁合金壁板零件作骨架，取代了傳統(tǒng)的鈑金鉚接裝配組合件。機(jī)翼壁板外覆蓋蒙皮形成氣動外形，內(nèi)裝油箱及各種管線，其外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高，零件易變形，普通加工難度大，制造周期長，嚴(yán)重制約著飛機(jī)零件的生產(chǎn)，進(jìn)而影響零部件的部裝和飛機(jī)的總裝。

該壁板零件一般采用普通數(shù)控銑削，存在著加工效率低，零件產(chǎn)生熱變形較大，切削力較大，零件的加工表面質(zhì)量不高等的局限性。而高速切削則在一般主軸轉(zhuǎn)速在10000 r/min以上，進(jìn)給速度3000～6000 mm/min，切削加工零件時，大量的切削熱被切屑帶走，工件的表面溫度較低，能夠提高加工的效率、零件的精度和表面粗糙度。但高速加工機(jī)床的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、精度高、功率小，使用刀具直徑小，切削慣性大，轉(zhuǎn)向容易產(chǎn)生過切而影響零件尺寸精度。所以應(yīng)用先進(jìn)的CAM軟件系統(tǒng)總結(jié)出針對高速銑削機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)控編程的工藝方法是壁板類零件加工急需解決的問題。

1.高速加工的工藝方案規(guī)劃

圖1 機(jī)翼壁板

(1)分析壁板類零件的特點(diǎn):如圖1所示為某型號飛機(jī)機(jī)翼上壁板零件，端頭與機(jī)身聯(lián)接，是整個機(jī)翼中主要的承重零件，是比較典型的一個薄壁鋁合金壁板零件，材料采用鋁合金預(yù)拉伸板材，外廓尺寸為6300 mm×1500 mm×35 mm。零件的上平面由橫向11長桁、縱向6縱墻組成80多個開口或封閉槽廓，腹板厚度2～4 mm，壁厚2.5～6 mm，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，尺寸公差要求嚴(yán)格。

(2)原普通數(shù)控加工的不足:在以往的生產(chǎn)中，采用普通數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，受機(jī)床、刀具等限制，轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度均較低 (轉(zhuǎn)速1000～2500 r/min，進(jìn)給速度200～2000 mm/min)，由于零件的腹板厚度和壁厚的精度極其不易保證，工藝上采用按系列刀 具 (φ65 mm、φ40 mm、 φ30 mm、 φ25 mm、φ20 mm和φ16 mm)大小細(xì)分粗、精加工，逐漸去除加工余量，工序中間還要從機(jī)床上卸下，安排校正和人工時效工序，反復(fù)裝夾定位找正，需要技術(shù)較高的工人來操作。而且單位時間內(nèi)的金屬切削率低，加工易產(chǎn)生大的變形，零件表面粗糙度較差，數(shù)控加工無法保證零件壁厚的最終尺寸，要留有較大的加工余量后需鉗工大量打磨才能滿足圖樣要求，這使得零件加工周期要46個工時，零件合格率24%。

(3)高速銑削機(jī)床和刀具選擇:總結(jié)普通數(shù)控加工的不足之處，結(jié)合高速加工的優(yōu)勢，首選選擇合適的機(jī)床和刀具。根據(jù)該零件的外形尺寸要求機(jī)床的工作臺較大，能夠滿足6300 mm的行程，結(jié)構(gòu)上大部分輪廓為直輪廓，只有腹板背面局部為梯形深槽廓，可用角度刀加工，其余為三軸加工，因此采用三坐標(biāo)高速龍門銑床來完成了零件的整個加工比較合適。

刀具采用外購的進(jìn)口機(jī)夾、整體硬質(zhì)合金小直徑系列高速銑刀。

(4)壁板零件的裝夾、定位:應(yīng)用六點(diǎn)定位原則，采用一面兩孔的定位方法和真空吸附的裝夾方式。運(yùn)用固定在機(jī)床工作臺上的大型真空平臺，同時在真空平臺和預(yù)拉伸板長向零件的外形輪廓外鉆鉸2個φ30H8的工藝孔，用一圓柱銷和一菱形銷定位。同時在零件裝夾前，在真空平臺上按零件的外輪廓銑制寬3 mm、深3 mm的密封槽，安裝上φ3 mm的密封膠條，放置預(yù)拉伸板毛料，真空吸附，配合壓板輔助壓緊。

(5)工藝方案的制定:采用兩面加工。正背面只裝夾定位一次。工藝路線:背面銑定位平面→加工各處下陷→翻面→正面粗加工腹板、壁厚→銑筋條高→精加工腹板厚、壁厚→銑外形輪廓。去掉了普通加工的工序熱處理、人工時效、校正和后期的鉗工打磨工序。

(6)切削參數(shù)的確定:部分切削參數(shù)如附表所示。

切削參數(shù)表

2.高速加工的數(shù)控編程方法及關(guān)鍵技術(shù)

在定義好機(jī)床控制系統(tǒng)類型、加工坐標(biāo)系、前置后置處理的基本信息后，以交互的方式，按照彈出的編程對話框，分別定義如下參數(shù)。

加工策略:包括加工方式、刀具徑向策略、軸向策略、精加工策略和HSM參數(shù)的定義。

幾何參數(shù):在三維數(shù)模上定義刀具軌跡的幾何參數(shù) (導(dǎo)動線、加工平面和起止點(diǎn)的定義)。

刀具幾何參數(shù):刀具的外形參數(shù) (刀長、刃長、直徑和轉(zhuǎn)角等)的定義。

進(jìn)給量、加工轉(zhuǎn)速:定義切削進(jìn)刀、退刀、加工的進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速。

宏指令:用來定義刀具路徑間的連接方式，即進(jìn)刀、退刀、層間返回、聯(lián)接和間隔中的連接的快速走刀方式。

(1)順銑加工方式:在順銑時，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最大，隨后逐漸減小。在逆銑時，刀具剛切入工件產(chǎn)生的切屑厚度為最小，隨后逐漸增厚，這樣增加了刀具與工件的摩擦，在刀刃上產(chǎn)生大量熱，所以在逆銑中產(chǎn)生的熱量比在順銑時多很多，徑向力也大大增加。同時在順銑中，刀刃主要受壓應(yīng)力，而在逆銑中刀刃受拉應(yīng)力，受力狀態(tài)較惡劣，降低了刀具的使用壽命。圖2為CATIA中順銑的參數(shù)設(shè)置。

圖2 順銑設(shè)置

如圖2左所示，根據(jù)高速銑的特點(diǎn)，設(shè)置切削的方向?yàn)?Climb(順銑)，加工容差:0.02 mm(根據(jù)零件設(shè)計(jì)精度，設(shè)置機(jī)床步進(jìn)與理論曲線的最大允許偏差)。其走刀方向?yàn)閳D2右中刀具逆時針方向。

(2)分層的加工方式:由于高速加工的進(jìn)給和切削速度快，而機(jī)床的功率小，所有高速加工需進(jìn)行在不同的高度分層來加工。圖3、圖4為平面高速加工“槽 (Pocket)”時的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置每層最大切深，分層加工。如圖3設(shè)置每層的最大切削深度為3 mm。編程軌跡會嚴(yán)格的按照該厚度從毛坯表面到零件的腹板面間進(jìn)行分層處理。設(shè)置內(nèi)輪廓余量精加，去除接刀痕跡。為了保證薄壁零件的側(cè)壁和腹板的表面粗糙度，如圖4設(shè)置分層切削時，在側(cè)壁和腹板面留有0.5 mm的余量，最后再增加一次分層，去除0.5 mm的余量，在較小的切削量下達(dá)到理想的表面粗糙度值。

圖3 分層設(shè)置

圖4 設(shè)置精加工余量

(3)進(jìn)退刀的走刀方式:宏指令是CATIA的CAM系統(tǒng)中獨(dú)特的進(jìn)行刀具切削路徑間進(jìn)行連接、轉(zhuǎn)移的走刀方式，可以快速完成進(jìn)刀、退刀、層內(nèi)刀具轉(zhuǎn)移、層間轉(zhuǎn)移，不同區(qū)域間的連接，方法有效的、靈活、方便和方式豐富。這些宏指令可以靈活的運(yùn)用在每個區(qū)域中，并可以自由組合，達(dá)到想實(shí)現(xiàn)的任何走刀方式。如圖5所示為宏指令連接的走刀軌跡。

設(shè)置螺旋進(jìn)刀宏指令:如圖6所示，刀具從原點(diǎn)高度水平移動刀具至切削區(qū)域進(jìn)刀點(diǎn)上方，然后沿軸向下降至切削表面上方5 mm處，以沿切削型腔輪廓以每20°/5 mm螺旋方式進(jìn)刀，這時高速加工的最佳進(jìn)刀方式。

圖5 宏指令

圖6 設(shè)置螺旋進(jìn)刀宏指令

設(shè)置切向圓弧退刀宏指令:如圖7所示，刀具從零件的完成的切削輪廓處以切向圓弧R5 mm，90°離開后再沿軸向抬刀到安全平面，這種切向圓弧方式退刀，這時高速加工的最佳退刀方式。

層間的進(jìn)退刀連接宏指令設(shè)置:層間進(jìn)刀連接宏指令設(shè)置如圖8所示，層間的退刀連接宏指令設(shè)置如圖9所示。

圖7 設(shè)置切向圓弧退刀宏指令

圖8 層間進(jìn)刀連接宏指令設(shè)置

圖9 層間退刀連接宏指令設(shè)置

(4)徑向走刀方式:徑向走刀方式選擇如圖10所示，由內(nèi)到外環(huán)切的方式。徑向排刀方式:例如φ16R2 mm的銑刀，由φ16 mm去掉2倍的R2 mm和1 mm的刀具重疊量，平行軌跡的排刀寬度為11 mm(見圖11)。

圖10 徑向走刀方式

圖11 排刀距離

3.數(shù)控編程中的高速的特有關(guān)鍵技術(shù)

(1)設(shè)置刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給參數(shù):根據(jù)前面的切削分析和總結(jié)，例如φ30R4 mm的整體硬質(zhì)合金高速銑刀，進(jìn)行如圖12所示的在CATIA的切削參數(shù)標(biāo)簽中進(jìn)行手工的設(shè)定:進(jìn)刀速度、加工速度、退刀速度、精加工速度、轉(zhuǎn)角降速設(shè)置和主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置等。刀具可自動調(diào)用開/關(guān)。

圖12 轉(zhuǎn)速和進(jìn)給設(shè)置

如上開關(guān)開時，可以根據(jù)工廠的刀具庫中的參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)化，自動完成刀具幾何尺寸的形成和重要切削參數(shù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)刀具參數(shù)的準(zhǔn)確、與實(shí)際完全一致的設(shè)置。

速度設(shè)置:進(jìn)刀速度 mm/min，加工速度mm/min，退刀速度mm/min，精加工速度mm/min，降速率100%，線性方式，如圖13所示。轉(zhuǎn)速設(shè)置如圖14所示。

在高速銑加工模式，可以設(shè)置在轉(zhuǎn)角之前、之后降低進(jìn)給速度。減速率=50%，最小半徑角=45°，最大轉(zhuǎn)角半徑=5 mm，轉(zhuǎn)角前距離=20 mm，轉(zhuǎn)角后距離=20 mm，如圖15所示。

圖13 速度設(shè)置

圖14 主軸轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置

圖15

(2)設(shè)置拐角強(qiáng)制圓弧過渡:因?yàn)楦咚偌庸さ奶厥庑裕笞叩堵窂讲荒艽嬖谥苯呛弯J角。在R11版中，加入了拐角強(qiáng)制圓弧過渡功能。這樣可以保證刀具切削過程的連續(xù)性和平穩(wěn)性。圖16為“High Speed Milling”開關(guān)打開/關(guān)閉的區(qū)別 (圓角半徑1 mm)。

圖16 高速銑設(shè)置開關(guān)比較

(3)設(shè)置拐角路徑過渡如圖17所示，高速切削的轉(zhuǎn)角設(shè)置如圖18所示。

圖17

4.實(shí)施的效果

完成高速銑程序的編制和工藝方案制定后進(jìn)行零件的試加工。采用由內(nèi)而外的環(huán)切順銑加工方式，按照平均3 mm每層進(jìn)行分層，以高速銑處理方法進(jìn)行槽廓的粗精加工，采用螺旋進(jìn)刀宏指令和切向圓弧退刀宏指令，腹板和壁厚僅留0.3～0.5 mm的余量，精加工去除。

在采用高速加工方案后，零件的加工周期縮短為普通數(shù)控加工的一半，僅為20個工時，加工效率提高80%，而且加工后的零件表面質(zhì)量經(jīng)過廠技術(shù)測量站檢測達(dá)到Ra=2.3 μm，零件所有幾何尺寸合格，壁厚和腹板未產(chǎn)生變形，完全達(dá)到圖樣要求，省去了大量的鉗工打磨工作。

圖18 設(shè)置轉(zhuǎn)角的刀具軌跡效果

5.結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用CATIA軟件的CAM模塊，加入特定的關(guān)鍵單元技術(shù)，編制出最佳加工壁板零件高速編程方法，使加工過程中避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，局部過切而造成刀具或設(shè)備的損壞;保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速對精度要求極高零件表面的影響;下刀或行間過度部分采用合理進(jìn)退刀方式，避免垂直下刀直接接近工件材料;行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接;采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，還應(yīng)避免全力寬切削;將刀具軌跡編輯優(yōu)化，避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、復(fù)制和旋轉(zhuǎn)等操作，避免重復(fù)計(jì)算;通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用于零件局部變化時的編程，此時只需修改變化的部分，無需對整個模型重編;與可視化仿真加工進(jìn)行模型傳遞與集成，模擬與過切檢查，如Vericut軟件就可很好地檢測干涉。

應(yīng)用高速加工的編程和工藝方法來處理這種輪廓尺寸大，槽口繁多，薄壁易變形的壁板類零件，不但可以提高高速數(shù)控機(jī)床的利用率，而且使機(jī)床能運(yùn)行在最佳運(yùn)行點(diǎn)，發(fā)揮其最大的效率，同時同時保證產(chǎn)品的幾何尺寸、表面質(zhì)量和加工生產(chǎn)的進(jìn)度，從而保障飛機(jī)制造的質(zhì)量和高可靠性。