擺線銑在大型整體框環加工中的應用

姚亞超，李洋，王元軍，冀亞東，段貴超，張金玉

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 擺線銑簡介

1.1 擺線銑加工特點

擺線是圓弧線的一種，它以固定的圓弧半徑連續地作圓周運動，而圓心沿著固定的運行軌跡以預定的速度v移動。兩次沿回轉中心之間的移動距離c被稱為步距如圖1所示。

圖1 擺線示意圖

擺線銑削是一種互補的加工策略，它有利于沿著一個預定的路徑作重復的圓周運動[1-2]。避免刀具的滿刃切削，每一圈僅切除一部分材料。擺線銑削實施時采用更高的切削速度。通常步距為刀具直徑的5%～15%之間。由于嚙合量的減少，刀具的彎曲變形最小化，用銑刀的整個刃長進行切削也因此變得可行。此外，切屑很薄且易于從工件排出。

擺線銑削主要有2種模式，向內擺線和向外擺線，其中向外擺線是銑切加工首選模式，它是將圓形回環和均勻移動有效地組合在一起[3-4]。

下面的示例說明了向外擺線切削的方式。將這種加工切削模式與常規加工切削方式進行比較，有別于傳統切削加工方式中刀具沿直線刀軌移動，其刀具各個側面都被材料包圍。擺線切削的切削加工方向設置模式為向外，適合高速切削粗加工。這種切削加工模式包括擺線銑削、拐角倒圓和其他拐角區域處理，以確保達到指定的步距。它是跟隨部件周邊和向外擺線切削模式的組合，可用于型腔銑和面銑削操作，其與傳統切削方式區別如圖2所示。

圖2 傳統切削方式與擺線銑削方式對比

與傳統加工不同，擺線銑加工過程中刀具-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，從而非常有利于切屑的排出與刀具的散熱。

1.2 擺線銑加工應用

擺線銑削主要目的是在充分滿足徑向切深的情況下避免槽銑等全浸入式銑削[5]。這對于減少刀具的磨損、延長刀具的使用壽命非常有利。它不僅具有刀具短接觸加工的優勢，還具有切屑薄、切削力小、整切削刃加工、刀具壽命長等優點。故此特別適用于以下加工場景：1）適合狹窄、軸向切削深度較大區域銑削；2）適用于薄壁零件的高效銑削；3）適合難加工材料切削，如高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼；4）適應余量變化的區域銑削。

2 擺線銑在轉接框加工中的工藝方案

2.1 產品加工情況介紹

轉接框框環為某運載火箭中的重要結構件，連接有效載荷支架、儀器艙及縱向分離裝置3部分，起到重要的連接作用，其功能決定了框環型腔內部結構復雜，零件尺寸及形位公差精度要求較高，零件變形及尺寸精度影響火箭部段的裝配。

為滿足強度及減重要求，該零件選用整體鍛環機加而成，其內外側設有數十個減重網格，較框環大直徑而言，其壁厚較薄，最薄處僅為10 mm，具體結構如圖3所示。

圖3 轉接框框環結構圖

該“Z”字形框環下陷網格深度60 mm，徑向尺寸為55 mm，材料去除量大，加之壁厚較薄，采用傳統銑削方式，因加工過程中產生的切削力大，極易使零件尤其是下陷拐角處產生應力集中，致使框環變形，造成的后果是加工后各處筋條出現不規律的減薄或加厚超差，以往為了盡量降低超差情況的發生，不得不采用高度+徑向分層銑削的方式加工，使得加工效率較低。

2.2 擺線銑在轉接框加工中的工藝安排

相較于傳統銑削工藝的“高度+徑向余量分層”銑削方案存在分層較多的情況，擺線銑削方法借助其本身“效率高、變形小”的優勢，可采用“大軸向吃刀+小側壁預留余量”的方案，加工模擬中，其在變形控制及效率方面均有較優表現。因內外網格結構及加工流程相似，故僅以外網格加工為例進行方案介紹，2種方案具體加工流程如圖4所示。

圖4 外網格擺線銑削流程

由上述流程圖可見，采用擺線銑削該框環型腔下陷，可以采用更簡潔的分層方案，在所用加工設備相同的情況下，該零件采用擺線銑只需分2層銑削，而傳統的銑削方式需至少10刀，且需分層去余量。

2.3 擺線銑加工的編程方法及參數設置

2.3.1 擺線銑編程方法

目前可以實施擺線銑削數控加工的軟件有CAXA制造工程師、UG、Mastercam、Cimatron、Powermill等，本文以CAXA制造工程師為例，介紹擺線銑削在轉接框產品中的編程方法。

擺線銑加工方式可分為2種形式，單向和往復，單向擺線只做順銑加工，往復擺線銑削為順逆銑復合加工，效率比單向高，但要根據工件的材質和刀具的影響情況進行選擇。由于擺線加工主要用于工件的粗加工，大切深小排刀，對產品的應力釋放影響小，提高效率，本文主要是對順逆銑式的往復擺線進行走刀切削，提高切削加工效率。以下簡單介紹編程主要流程。

2.3.1.1 建模

根據圖樣要求，使用CAXC制造工程師CAM軟件進行常規建模、草圖、拉伸、旋轉、切割等，得到的模型如圖5所示。

圖5 轉接框模型

2.3.1.2 設置毛坯

根據零件形狀尺寸建立毛坯，由于刀具軌跡是按照毛坯的大小進行計算，故毛坯必須要包羅產品，選擇毛坯類型，定義高度、半徑、毛坯精度等參數，軟件具體定義界面如圖6所示。

圖6 毛坯設置

2.3.1.3 設置加工參數

參數設置主要包括加工方式、加工方向、優先策略、層高等，如圖7所示。

圖7 加工參數設置

1）加工方式。加工方式可分為單向和往復2種形式，本文主要是對順逆銑式的擺線進行走刀切削。

2）加工方向。加工方向的順銑受加工方式單向的限制，如果往復方式，加工設置方向不受限制。

3）優先策略。優先策略分為區域優先和層優先，區域優先是首先加工單個區域，然后再加工其他區域；層優先是在分層加工的基礎上，在每層刀路加工完后再加工下一層。

4）行距和殘留高度設置。設置最大行距和期望行距，就是刀具的步距壓刀量，本產品設置刀具步距為2 mm。

5）層高。每層根據刀具的刃長設置每層切削深度，根據產品結構及所選用刀具的參數，本產品層高設置為30 mm。

6）加工余量。根據工件的大小或者查表設置余量，本產品設置加工余量為1 mm。

7）區域參數。設置加工邊界和高度范圍，加工邊界是設置刀具刀心點的軌跡位置，高度范圍是設置需要加工到的深度，而有區別于產品的模型最終深度，如圖8所示。

圖8 區域參數設置

8）切削用量及刀具參數。根據產品的材料性能及結構，本產品采用直徑為16 mm、刃長為65 mm的硬質合金刀具，轉速6000 r/min，切削速度為2000 mm/min，如圖9所示。

圖9 切削用量及刀具參數設置

2.3.1.4 刀路生成

經過上述系列操作，計算出擺線銑削刀具軌跡，擺線銑可使產品拐角處的應力集中大大緩解，有效地控制產品變形，切削刀路如圖10所示。

圖10 切削刀路

3 擺線銑在轉接框加工中效果

3.1 切削質量提升

從以往的加工經驗來看，使用傳統的加工方法，極易出現筋寬減薄或增厚等不規律超差問題，包括采用擺線銑后零件的具體超差情況統計見表1。

表1 轉接框框環筋寬超差統計表

由表1可見，采用傳統加工方式不可避免會出現筋寬超差情況，加工質量難以保證，換用擺線銑加工方式后，筋寬超差現象不再出現，可知擺線銑在該薄壁框環加工中對于其變形控制收到了較好的效果，保證了切削質量，優勢明顯。

3.2 切削效率提高

困擾該框環零件加工的難點除了質量外還在于加工效率低下，采用擺線銑后其效率得到有效提升，以單個下陷網格加工效率為例，進行改進前后的對比，具體數據如表2所示。

表2 轉接框框環筋加工效率統計表

對比表2所列加工時長，可知采用擺線銑后，單個下陷網格加工時長降低34%以上。可見對于此類具有較大材料去除量的零件加工，采用擺線銑削進行粗加工可以大大提高銑削效率。

4 結論

本文對擺線銑的原理、特點及其適用范圍進行了簡要介紹，對其在大型薄壁框環的粗加工中的應用進行了試驗研究，不僅將超差率降低為零，大大提高了加工質量，而且將加工效率提高了34%以上。為大型框環類零件的變形控制及高質、高效切削加工提供了一種有效的解決方法。