機匣對開類零件擺線銑加工技術研究

陳亞莉 郝卓 劉德生

摘 ?要：某后機匣材料為GH907是較硬材料的零件代表，其零件結構規則對稱，島嶼數量較少結構簡單清晰，毛料屬于大余量規則形狀類。某前機匣材料為TA19是標準的鈦合金材料，硬度適中屬于易加工材料，零件結構復雜島嶼數量較多且分布不均，毛料屬于大余量不規則形狀類。受傳統的加工方式和加工方案限制，刀具使用和設備性能不能發揮到極致，同時在大余量的處理過程中缺乏先進性，大量的切削軌跡和較低的切削速度決定了最終的效率層級，并且大量的人為參與也無法確保效率的提升。

關鍵詞：擺線軌跡控制;刀具選擇;刀具裝夾要求;方案制定

中圖分類號：V261 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

數控設備資源匱乏無法滿足零件逐年提升的需求量，通過該次攻關有效提升加工效率。刀具成本持續走高，傳統切削方式無法準確實現機匣廠降本增效的目標，通過該次攻關有效降低加工成本。傳統的切削方式在行業內部已經延用多年，新的切削理念和方法需要在加工過程中給以驗證，從而發揮優勢改進短板。

1 技術方案

1.1 技術背景

高溫合金、鈦合金等難加工材料在機匣類零部件中廣泛應用。這類材料其去除后的表面易反彈，易與刀具間產生強烈摩擦，形成大量切削熱，同時切削性能差在加工時切削力較大，最終造成刀具磨損嚴重。

與傳統加工不同，擺線銑加工過程中刀具與工件包角一直處于較小的狀態，刀具在公轉一周的過程中處于切削狀態的時間較少，同時在強烈摩擦不可消除的情況下最大限度地降低了接觸面積，材料去除過程更為合理穩定，確保了整體的加工效率得以大幅提升。

德國亞琛工業大學的研究發現，在切削難加工材料時，刀具與工件包角對刀具的磨損有重要影響。有效控制刀具與工件的包角對于控制切削加工過程中的熱力耦合作用、減少刀具磨損有顯著效果。

1.2 技術方案核心點研究

1.2.1 軌跡規劃

利用UG現有的UG變軸往復切削方式生成軌跡。

利用UG生成的變軸往復切削方式運動軌跡如圖1所示。

利用UG中展開命令→平面刀軌→軌跡曲線→纏繞→擺線軌跡

往復銑（長城軌跡）進行加工的實驗結果：

機夾刀刃部的不連續結構在如此高速切削的情況下造成了振感強烈的問題，刀具磨損速度快，同時對主軸的傷害也極大，因此機夾刀極不適用于擺線加工。4刃D20銑刀加工穩定震動相對較小，切深23 mm切寬1 mm加工參數可設定為S1700轉B為F50，加工范圍至150 mm時刀具涂層出現明顯磨損。

結合往復銑和圓弧擺動單向銑的實驗結果，形成適合于機匣類零件擺線銑加工的新型方案：機夾刀與整體合金刀聯合開槽、進退刀軌跡橫跨距離縮短、切削軌跡調整為直線狀。

首次新型擺線銑加工方案實驗結論。

較長的刀具壽命和較低的刀具品質要求，未出現刀具折斷情況，未出現明顯的振感，擺線銑軌跡設計合理。切削時間略有漲幅，擺線銑加工技術在相同合理程度的加工方案前提下，能有效地降低加工成本，降低操作者的工作強度（5 min換刀片→57 min換刀）。加工高溫合金材料時，刀具與工件包角（切寬）0.7 mm較為合理。原因：使用1 mm切寬時，相同的切削參數下振感明顯，刀具磨損較快;使用0.5 mm切寬時，切削參數仍無法按比例提升，同時切削軌跡增多，使效率嚴重降低。

1.2.2 加工鈦合金材料時刀具與工件包角的確定

實驗參數：切寬為1 mm～1.5 mm時效率與成本達到平衡點（切深24 mm）。

實驗方案：與高溫合金加工方案相同。

1.2.3 擺線銑高速切削過程對刀具裝夾強度的需求

實驗內容：熱脹刀柄和ER刀柄在擺線銑加工過程中的差異。

實驗結論：使用ER刀柄和熱脹刀柄分別進行擺線銑加工，刀具磨損情況和加工效率未出現差異，因此在刀具的裝夾強度方面擺線銑加工技術沒有特殊要求。

1.2.4 切削刀具的選擇

實驗內容：最終輪廓寬度與刀具直徑間的關系。

實驗結論：使用D13R3刀具加工最終輪廓寬度為14 mm，深度為30 mm的耳片區域（切深為30 mm、切寬為0.7 mm、加工參數為S900/F150），加工中無明顯振感，刀具磨損速度比較理想。由此可見，只要刀具直徑小于輪廓寬度，便可滿足擺線要求。

實驗內容：分別切削3 mm～7 mm深的大面和4 mm深的花邊，觀察擺線結果。

實驗結論：切深較小（刀具與零件表面的接觸面積降低）的擺線銑加工，當被加工對象的剛性較弱時，會由于擺線銑較高的速度而引起零件振動，加劇刀具磨損速度;當材料去除僅在刀具端部發生時，由于碎屑不能及時排出而造成端部磨損強烈，正常的擺線切深所成的屑為針屑。

1.2.5 依據擺線銑技術的加工方案確定

開槽位置應確保后續擺線軌跡由內向外的變化，從而達到無多余清根過程發生。避免擺線過程中切削量突變情況發生，保證刀具切削過程穩定。注意刀具刃長，合理規劃有效切削范圍內的切削深度，若分層擺線應考慮層間的不等量擺幅，從而消除讓刀情況造成的研刀問題。

2 經驗、問題及建議

擺線銑加工技術適合于高溫合金、鈦合金材料的大余量去除過程，不受零件結構限制，為保證良好的切削效果和符合目前現場刀具刃長實際情況，切深應控制在20 mm～30 mm，使用時更應參照上述核心點驗證結論。

某前機匣未能完成課題目標，因此不能全盤否定以往的加工方案，需要實驗確定加工成本與效率間平衡點是否被所有人接受。

擺線銑加工技術在承力環的應用情況顯示，零件質量方面未出現較為明顯的變化。

該次攻關的總體目標是在加工效率上取得成績，但隨著攻關進程的不斷推進，我們發覺部分零件的效率目標無法實現，但在成本控制方面收益顯著，因此一個好的技術雖然不會萬能的解決所有問題，但是只要我們抱著一顆務實求真、堅定探索的心，就一定能在其他方面有所斬獲。

參考文獻

[1]廖鈴吉，任景剛，楊金鋒.擺線銑加工技術及其在航空發動機加工中的應用[J].航空制造技術，2015，481（12）：47-50.

[2]王晶，羅明，吳寶海，等.航空發動機機匣擺線粗加工軌跡規劃方法[J].航空學報，2018，39（6）：216-227.