支架工藝優化設計及數控銑削加工的研究

2018-02-05 03:32:48楊旭

制造技術與機床 2018年1期

楊旭

(成都工貿職業技術學院，四川成都 611731)

薄壁零件由于剛性好、重量輕、比強度高等結構特點，已被廣泛應用于航空航天、模具、機械設備、工裝夾具領域。本文課題研究的主要材料是鋁合金7075-T651，其具有密度小、高強度及熱處理性好、良好的機械性能及陽極反應、易于加工耐磨性好、抗腐蝕性及價格低等優點。它特別適用于制造飛機結構及其他要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構體。

本課題是在某機械制造單位為成飛集團生產的薄壁件支架，使用現有數控設備(FANUC-0i系統)進行加工。筆者對支架的數控銑削工藝進行優化設計，最終保證了支架生產的經濟效益和加工質量。

1 薄壁型腔零件的切削特點

此零件壁厚1.5 mm屬于典型的薄壁型腔類零件。該支架零件雖然結構簡單，由于零件材料是鋁合金加工時型腔底板和腔壁都較薄，在加工中容易使工件腔底板和腔壁變形和振動，從而降低工件的表面質量。主要體現在以下三方面的變形。

(1)夾緊變形工件是鋁合金材料壁薄，雖然其為易切削材料，但夾緊力量控制不好就會使工件變形，主要體現在形狀精度方面。

(2)振動變形工件剛性差，在切削力的作用下，最容易產生振動而引起工件變形，從而影響工件的表面粗糙度及尺寸精度。

(3)熱變形工件壁薄質量小、熱容量小，在切削熱作用下最容易產生熱變形。主要影響尺寸精度。

2 支架工藝方案優化設計及切削參數的選取

2.1 工藝方案優化及選取

工件毛坯為260 mm×49 mm×20 mm的鋁合金材料7075-T651。工件加工表面上下不應有劃痕、擦傷等損傷工件表面的缺陷。如圖1所示，工件因為型腔壁厚只有1.5 mm，故采用液壓平口虎鉗進行一次性裝夾，夾5 mm，對上表面所有型腔進行數控銑削加工。利用輔助支撐元件進行翻面平面銑削控制深度，否則很容易裝夾變形。

方案一：工件表面加工→外輪廓256 mm×47 mm×13.5 mm及8-R3 mm加工→95 mm×44 mm×10.5 mm的圓角長方形內輪廓→左右47.5 mm×44 mm×10.5 mm的內輪廓→左右4個27.5 mm×9.7 mm的小斜面→2個φ12 mm孔加工→6個13 mm×5.3 mm×3 mm長方形槽→工件翻面平面銑削并控制深度13.5 mm。

方案二：工件表面加工→加工外輪廓256 mm×47 mm×13.5 mm及8-R3 mm→左邊27.5 mm×47 mm×10.5 mm的斜面→左邊47.5 mm×44 mm×10.5 mm的內輪廓→左邊三個13 mm×5.3 mm×3 mm長方形槽→95 mm×44 mm×10.5 mm的圓角長方形內輪廓→右邊27.5 mm×47 mm×10.5 mm的斜面→右邊47.5 mm×44 mm×10.5 mm的內輪廓→右邊三個13 mm×5.3 mm×3 mm長方形槽→2個φ12 mm孔加工→工件翻面平面銑削并控制深度13.5 mm。

方案一中加工路線從平面加工，到外輪廓加工、中間型腔加工、左右的型腔加工，再到斜面的加工、孔的加工，最后到型腔底面槽的加工；如果數控機床精度一般的情況下，讓工作臺絲杠來回移動，會產生定位誤差；另外，方案一是先把左右型腔加工后再加工斜面，如此一來工件壁薄很容易變形。

方案二中加工路線從平面加工，到外輪廓加工、左邊斜面加工、左邊型腔加工、左邊型腔底面槽的加工，再到中間型腔加工、右邊斜面加工、右邊型腔加工，最后到右邊型腔底面槽的加工。方案二沒有使工作臺絲杠來回移動，是從左至右加工，這樣不會使工件產生定位誤差；也不會因壁薄加工斜面而產生變形。綜合分析考慮后選擇工藝方案二進行。在加工時因工件熱容量小，需要充分的冷卻，讓工件很快被冷卻，所以采用乳化液作冷切液。

2.2 切削參數的選取

通過資料查閱高速加工超過傳統切削速度5～10倍；實踐證明，當銑削速度提高10倍，進給速度提高20倍，遠遠超越傳統的切削“禁區”后，切削機理發生根本的變化。其結果表明單位功率的金屬切除率提高30%～40%，切削力減小30%，刀具壽命提高70%，切削熱大幅度減少，切削振動幾乎消失。

如圖2所示，根據薩洛蒙對各種金屬切削速度與切削溫度關系實驗曲線和推論曲線，軟鋁加工時，銑削速度在1 200～2 400 m/min銑削的溫度很低，銑削效果極佳，也對數控設備綜合性能提出極高要求。此次加工的鋁合金具有高強度，根據實際數控設備，選擇銑削速度在400～600 m/min，根據切削速度公式v=nπD/1 000，可以算出銑削的主軸轉速n選擇20 000 r/min左右。采用高速小切削量加工，減小了切削力,切削熱大部分被切屑帶走，從而減小了工件的變形。所以選擇切削參數如表1。