蜘蛛網格工藝在薄壁腔體加工中的應用

□ 高石磊

中電科儀器儀表有限公司 山東青島 266555

1 腔體介紹

某薄壁腔體結構經過簡化處理后,正反面三維圖如圖1所示。

▲圖1 薄壁腔體三維圖

這一薄壁腔體尺寸較大,側面及底面壁較薄,最薄處壁厚均小于1 mm,平面度要求為0.08 mm,表面粗糙度Ra要求為1.6 μm,屬于典型薄壁腔體。這一薄壁腔體還存在一個較大的開口,開口上有寬度較窄、厚度較薄的三條筋。薄壁腔體材料為鋁合金。

2 加工難點分析

(1) 薄壁腔體的側壁與底面壁較薄,加工強度低,在加工過程中容易產生變形及振動,精度不容易得到保證[1]。

(2) 薄壁腔體剛性差,在切削力和夾緊力的作用下,容易產生較大的彈性變形[2],需要設計合適有效的裝夾工裝。

(3) 薄壁腔體具有較大的開口結構,對內應力分布產生較大影響,變形尤其嚴重。三條薄筋在加工時容易產生振紋,導致壁厚不均勻,精度超差,甚至可能無法成形。

3 工裝設計

薄壁腔體正反面中間材料去除率較高,凹腔面積大,底面壁較薄,在加工過程中產生的切削力對底面精度的影響較大,若不采取有效的裝夾措施,則很難保證腔體底面的設計尺寸。

根據薄壁腔體的結構特點,筆者設計了一種基礎板夾具,如圖2所示。采用一面兩孔的定位方案[3],通過薄壁腔體上的銷釘孔定位,采用M4螺釘固定。同時在薄壁腔體底面增加六個均布的φ10 mm工藝圓柱支撐,待薄壁腔體全部加工完成以后,再銑削掉增加的工藝圓柱。

▲圖2 基礎板夾具

4 工藝流程設計

薄壁腔體下料為板料,采用精密虎鉗裝夾。粗加工薄壁腔體正反面,薄壁腔體外形及內腔表面留1 mm精加工余量。采用熱處理退火,消除粗加工產生的應力,使材料晶粒重新均布穩定[4]。應用筆者設計的基礎板夾具裝夾,加工蜘蛛網格及工藝圓柱,再精加工薄壁腔體的正面及反面,最后精加工側面。待薄壁腔體全部成形之后,銑削掉蜘蛛網格及工藝圓柱。薄壁腔體加工工藝流程如圖3所示。

▲圖3 薄壁腔體加工工藝流程

5 蜘蛛網格工藝設計

加工未封閉的大開口結構時,應用薄壁腔體自身的三條薄筋,加工縱橫交叉的蜘蛛網格,提高三條薄筋加工的強度。待薄壁腔體全部成形后,再銑削掉蜘蛛網格。

蜘蛛網格工藝效果如圖4所示。

▲圖4 蜘蛛網格工藝效果

6 設備選用

根據薄壁腔體的結構特點及技術要求,加工設備選用三軸高速加工中心,優點如下:

(1) 高速加工中心具有較高的銑削速度、較小的徑向和軸向銑削深度,銑削力較小[5];

(2) 高速加工時,大量銑削熱可以被切屑帶走,薄壁腔體表面溫度較低,熱變形較小;

(3) 銑削速度快,切削力小[6],表面質量較好,有較高的穩定性,可以高質量地加工出薄壁腔體。

7 刀具選擇

由于薄壁腔體材料為鋁合金,切削去除量大,因此刀具選用大螺旋角設計的整體螺旋刃銑刀[7],提高排屑流暢性,可以防止鋁屑與刀具粘結。刀具選擇及對應切削參數見表1。

表1 刀具選擇及對應切削參數

8 加工編程要點

高速加工的數控編程具有一定的特殊性,在下刀方式、進給方式、刀具路徑等方面都和普通數控加工有很大區別。高速加工編程需要注意以下幾個方面:

(1) 采用分層銑削;

(2) 避免切削速度急劇變化,在進給方向變化較大的位置加入圓弧過渡,類似于形成賽車線[8],使切削平穩;

(3) 減小銑削負荷的變化,特別注意在粗加工時不是簡單地去除材料,而是要盡量控制使精加工余量均勻;

(4) 切入和切出盡量采用切向進刀[9],刀具切入材料時盡可能采用連續折線軌跡,避免刀具豎直進刀;

(5) 由于高速切削刀具轉速較快,編程必須考慮高速加工刀具及夾持的幾何結構,避免刀具、夾持部位與薄壁腔體發生干涉或碰撞,確保運行安全。

連續折線軌跡如圖5所示。

▲圖5 連續折線軌跡

9 加工三維仿真

在加工程序編制完畢,正式加工之前,必須進行三維實體仿真驗證。應用計算機輔助軟件來生成刀具軌跡、數控程序代碼,進行加工前的仿真[10]。通過仿真與圖紙設計結構進行對比,對可能存在的欠切、過切及干涉等問題進行驗證與檢測,確認加工程序的正確性和安全性,以及加工是否符合圖紙的要求,避免由于程序錯誤而導致的機床碰撞或刀具折斷等情況發生。仿真時可以設置不同的顏色,進而顯示出更加明顯的加工效果。

10 三維仿真結果

采用三軸高速加工中心加工薄壁腔體的三維仿真結果如圖6所示。加工仿真結果確認,所采用的加工工藝能夠達到薄壁腔體圖紙的設計要求。

▲圖6 薄壁腔體加工三維仿真結果

11 結束語

對薄壁腔體進行加工時,應根據結構特點,分析制訂合理的工藝方案。在薄壁腔體的加工過程中,筆者制訂了合理的加工方法和工藝流程,對薄壁腔體的切削參數進行優化,并設計了基礎板夾具。針對較難成形的開口結構,采取了預先加工蜘蛛網格及工藝圓柱的方案。

通過對薄壁腔體進行加工仿真,驗證了蜘蛛網格方案及整個薄壁腔體加工工藝流程的可行性,對類似薄壁腔體的加工具有參考價值。