UG固定軸曲面區(qū)域輪廓銑在高精度翼片曲面加工中的應用

張永智，郭 穎，孫建邦，魏 勇，董 沖

(西安現(xiàn)代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

1 問題的提出

翼片被廣泛應用于航空、航天、兵器等飛行產品領域，是控制飛行器飛行方向和姿態(tài)的重要部件。某項目產品零件翼片如圖1所示，該翼片的翼面是由多角度的平面和滿足某種方程曲線的曲面組合而成，對尺寸精度和面輪廓度都有很高要求。翼片曲面的刀路軌跡設計優(yōu)劣、工藝方案的選用是否合理以及鋁合金材料變形的控制等因素將直接影響到整個產品的加工質量。

2 技術要求分析

該翼片零件材料選用鋁合金7A04，毛坯如圖2所示，毛坯尺寸約為490 mm×177 mm×26 mm，成品尺寸為427 mm×125.3 mm×20 mm，整體零件尺寸較大，翼片最薄處為8 mm，翼片角度為14°，翼片面是由多角度的平面和滿足某種方程曲線的曲面組合而成，屬于異形不規(guī)則類零件，所以在加工過程中應設置工藝凸臺及專用工裝進行裝夾。

圖1 翼片示意圖

圖2 毛坯

翼片材料為鋁合金，翼片表面又是由若干個帶角度的斜面和曲面構成的，所以去除余量過程中一定會產生變形，應采用加工中心應用UG軟件做出插補刀路，從而生成符合的加工程序，同時應注意采用對稱銑削達到變形的相互抵消，從而減少變形。

3 工藝方案的實施

根據(jù)零件結構特點和毛坯尺寸實際，將零件進行三維模型布局、排列，決定采用2件零件大小頭對調組合的方案進行加工。

粗加工選用普通三軸銑床或加工中心完成加工。選用兩端壓板壓工藝凸臺的裝夾方式，以粗加工的外方尺寸實現(xiàn)定位，選用鋁用高光立銑刀進行層切加工，高轉速、高進給、小切深的加工策略，程序選用UG型腔銑進行粗加工、二粗加工，各表面留余量1 mm。一面完成后翻轉另一面進行類似加工。主要工藝流程如下：1)銑六方，尺寸為488 mm×174 mm×25 mm，作為粗基準；2)粗加工各面，采用組合夾具，夾具找正固定，以六方各面作為粗基準定位，壓板壓兩端工藝凸臺，調用程序加工，留余量1 mm；3)翻轉另外一面，加工同上面；4)粗加工兩零件結合部槽，留余量1 mm，為后期精加工做拉斷準備。粗加工后零件如圖3所示。

圖3 粗加工零件

精加工選用三軸銑床或四軸加工中心完成加工。三軸銑床裝夾方式同上，精修六方各面作為精基準進行定位裝夾，程序選用UG固定軸曲面區(qū)域輪廓銑進行精加工；四軸加工中心采用專用工裝一夾一頂、零件中間部分輔助支承的裝夾方式，程序同三軸銑床精加工。一面完成后翻轉另一面進行類似加工。主要工藝流程如下：1)精修、銑六方各表面，作為精基準；2)找正、夾緊，精加工各翼片曲面，鉆零件中間位置；3)翻轉另外一面，加工同前；4)銑開、拉斷，完成后續(xù)輔助面加工。四軸加工中心加工示意圖如圖4所示。

圖4 四軸加工中心加工示意圖

需要說明的是：1)精加工時，要在零件中間部分進行輔助支承，支承力要適中，既不能太小起不到支承作用，又不能太大將零件頂起，可用百分表壓表調整；2)四軸加工中心上采用一夾一頂?shù)募庸し桨福ūP端采用專用工裝，通過中間槽和零件工藝臺平面配合、輔以中間銷孔定位、螺釘兩邊緊固壓緊，實現(xiàn)對零件和工裝的連接，另一端要采用專用工裝實現(xiàn)具有預緊力的拉緊方式，將頂緊力轉化為拉緊力[1]。

4 固定軸曲面區(qū)域輪廓銑的實施

固定軸曲面區(qū)域輪廓銑概述：固定軸輪廓銑先由驅動幾何體產生驅動點，并按投影方向投影到部件幾何體上，得到投影點，刀具在該點處與部件幾何體形成接觸點，然后系統(tǒng)根據(jù)接觸點位置的表面曲率半徑、刀具半徑等因素，計算得到刀具定位點(見圖5)。刀具沿部件幾何體表面從一個接觸點移動到下一個接觸點，就得到一系列刀位點，如此重復，就形成了刀軌，這就是固定軸輪廓銑刀軌產生的原理。在固定軸輪廓銑中，刀軸與指定的方向始終保持平行，即刀軸固定。刀軌的建立具體需要2個步驟：第1步，從驅動幾何體上產生驅動點組；第2步，將驅動點沿投射方向投射到零件幾何體上。固定軸曲面輪廓銑削就是固定軸輪廓銑將曲面選做驅動體的具體特例應用，它是一種精加工曲面輪廓所形成的區(qū)域加工方法[2-3]。

圖5 固定軸輪廓銑刀軌原理示意圖

固定軸曲面區(qū)域輪廓銑實施的具體步驟如下。

1)創(chuàng)建工序，選擇“曲面區(qū)域輪廓銑”，點擊確定(見圖6)。

圖6 創(chuàng)建曲面區(qū)域輪廓銑界面

2)進入曲面輪廓工序界面后，找到驅動方法，右側“曲面”處點擊“編輯”(見圖7)，進入曲面驅動體編輯頁面。

圖7 曲面輪廓工序界面

3)選擇“指定驅動幾何體”，單擊右側“綠色網(wǎng)格面”(見圖8)，進入驅動幾何體選擇界面。

圖8 曲面區(qū)域驅動方法界面

4)依次選擇提前做好的輔助面表面，作為驅動幾何體，單擊“確定”(見圖9)，進入驅動體刀軌方向和切削方向界面。

圖9 驅動幾何體界面

5)根據(jù)需要依次選擇刀軌切削方向和材料方向(見圖10和圖11)，本例中選擇長邊方向自左往右，材料方向選擇朝上，單擊“確定”，返回驅動方法主界面。

圖11 材料方向

6)根據(jù)需要依次設置“切削模式——往復”“步距——數(shù)量”“步距數(shù)——800”“切削步長——公差”“內外公差——0.03”等選項，單擊預覽右側“顯示”(見圖12)，返回主界面點擊最下面“生成”，生成一次刀軌[4]。

圖12 刀軌刀位點顯示示意圖

7)在主界面依次選擇所屬“部件”和“切削區(qū)域”選項，刀軸固定不動“選+Z軸”，單擊最下面“生成”，生成二次刀軌(最終刀軌)，完成程序生成(見圖13)。

圖13 最終刀軌顯示示意圖

8)用生成的程序進行上機調試、加工，優(yōu)化程序實現(xiàn)后續(xù)整批的加工。經(jīng)三坐標機測量，產品各項尺寸、表面質量均滿足圖樣要求。零件精加工完成后成品如圖14所示[5-8]。

圖14 翼片精加工成品

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)固定軸曲面區(qū)域輪廓銑在使用過程中，一般應先選擇合適的驅動面作為驅動幾何體，根據(jù)需要設置各項參數(shù)后，回到主界面生成一次刀軌。待一次刀軌正確后，再選擇部件及切削區(qū)域從而生成二次刀軌(最終刀軌)。驅動面有時可以選擇部件表面，有時需重新創(chuàng)建新的面(輔助面)，后一種多用于零件表面復雜或碎面較多的情況。

2)翼片工藝裝夾方案的實施，諸如三軸機床的壓板壓緊和四軸的一夾一頂?shù)姆桨笇俪Ｒ?guī)加工方法，許多文獻都有詳細講述，不再贅述。

3)翼片曲面的加工方法很多，固定軸曲面區(qū)域輪廓銑只是其中成功應用的一種。

4)固定軸曲面區(qū)域輪廓銑較其他驅動方法應用更廣泛，靈活性更高，其刀軌下刀點、切削方向、投影矢量方向等更易控制、調整，通過在翼片曲面上的應用也為類似零件的加工提供了一點經(jīng)驗，值得分享借鑒和推廣應用[9-10]。