超薄结构零件加工方案的优化
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超薄结构零件厚度一般不大于1.5mm,刚性差。在加工过程中,如采用传统的加工方案,零件会发生较大颤动,尺寸不均匀,粗糙度差。在超薄腹板加工中,为了降低超薄结构的不合格率,对结构刚性进行最大限度提升,并对切削力进行合理控制,采用新的加工方案。

零件

超薄结构零件厚度一般不大于1.5mm,刚性差。在加工过程中,如采用传统的加工方案,零件会发生较大颤动,尺寸不均匀,粗糙度差。在超薄腹板加工中,为了降低超薄结构的不合格率,对结构刚性进行最大限度提升,并对切削力进行合理控制,采用新的加工方案。

2 超薄腹板加工工艺

2.1 传统加工方案

传统加工方案是先粗加工腹板,留1-2mm工艺余量,根据腹板实际厚度调整加工程序进行半精加工,留0.2-0.5mm工艺余量,然后根据腹板实际厚度调整加工程序进行精加工。
传统加工方案可以满足正常厚度腹板的加工,但在双面超薄腹板的加工中,随着腹板厚度的减小,腹板的颤动明显增大。保留1mm余量进行粗铣腹板,总厚度不超过2.5mm,厚度过薄。若继续加工,产生的切削力将会使腹板产生剧烈颤动。颤动会造成刀具与腹板处于不连续的接触状态,无法形成光滑表面,在颤动较大的区域产生大量刀痕,得到的表面粗糙度很差,甚至会造成腹板铣漏。

2.2 加工方案的优化

针对传统加工方案的不足,对加工方案进行优化。粗铣腹板留3-5mm工艺余量,实际加工时可根据机床的加工能力及腹板面积的大小来确定余量多少。在高速铣机床加工时,面积较小的腹板留3-4mm余量,面积较大的腹板留5mm余量。精铣腹板时一次加工到位。为保证腹板加工质量,在粗铣与精铣腹板之间增加腹板校验工步,即用精铣腹板的刀具,选取几处典型的腹板进行加工,再用测厚仪测量,根据厚度数据来确定精铣腹板时Z值的调整值。精铣腹板采用Pocketing指令来编程。
  1. 刀具轨迹要求
    刀具轨迹必须是由里向外环行加工,外围的腹板一直保持较大的厚度,从而起到支撑作用,减少腹板整体的颤动量(见图1)。
    图1 刀具演示轨迹图
    编制时不允许刀具轨迹在加工中突然改变,如出现这种情况,可将腹板分区域进行加工(见图2)。分区域加工时的先后顺序没有特殊要求,但分区域较多的话,需考虑零件刚性是否满足加工要求,一般先加工面积大的区域,再加工面积小的区域。
    图2 腹板分区域加工
  2. 进刀方式选择
    如图3所示,对于面积较大的腹板,进刀方式选择小角度长距离斜向进刀方式;对于面积较小的腹板,进刀方式选择小角度回转摆角进刀方式。
    (a)小角度长距离斜向进刀
    (b)小角度回转摆角进刀
    图3 进刀方式
  3. 径向排刀距离的选择
    较小的排刀距离可使腹板的受力相对较小,从而减少腹板的颤动。根据腹板面积的大小,径向排刀距离的编程策略选择1.5-4mm。面积较大腹板的径向排刀选择1.5-2mm,面积较小腹板的径向排刀可选择4mm。
  4. 刀具规格的选择
    精铣腹板的刀具直径一般选择φ16铣刀。刀具直径过大,相应产生的切削力也较大,加工时腹板易产生颤动;刀具直径过小,刀具刚性较低易折断且加工效率低。刀具长度在满足加工要求的情况下越短越好,可增加刀具刚性。
  5. 辅助支撑的建立
    双面加工的超薄腹板,加工时腹板状态十分不稳定,易产生颤动等现象,造成腹板薄厚不均,尺寸难以控制。可结合零件的结构特点建立相应的辅助支撑,配合零件的缘条表面,可增加零件的整体刚性,改善腹板的加工状态。部分零件结构可以利用腹板上较大的通孔建立辅助支撑(见图4a)。有些零件结构在腹板上并无通孔,不能建立辅助支撑,可在背面筋条建立相应的辅助支撑(见图4b)。
    (a)通孔
    (b)筋条
    图4 建立辅助支撑
  6. 带凸台腹板的加工
    腹板上带有凸台,应先加工凸台上方的腹板,后加工凸台下方的腹板,使腹板在加工过程中保证较高的刚性,避免产生颤动(见图5)。
图5 带凸台腹板的加工

3 超薄侧壁加工工艺

3.1 传统加工方案

传统加工方案为先粗铣侧壁,留1-3mm工艺余量;精铣侧壁,先加工侧壁一侧,再加工另一侧,轴向分层加工。随着零件侧壁厚度尺寸的降低,零件侧壁的刚性也相应降低,加工变形相应增大;在较深侧壁的加工过程中,颤动会显得特别明显,随着切深的增加,颤动加剧,加工表面会出现颤纹、表面粗糙度差等现象,严重时甚至导致侧壁厚度尺寸超差。

3.2 加工方案的优化

加工方案的优化为下:
  1. 单侧刀具满刃一次性加工
    粗铣侧壁,留较小的余量;精铣侧壁,在侧壁两侧都进行刀具满刃一次性加工。较小的余量可以控制在0.5-1mm,其目的是为了降低切削力。而刀具满刃一次性加工的目的,一是可增大侧壁与刀具之间的接触面积,提高侧壁的刚性;二是可避免轴向分层切削而导致多次光刀对加工质量的影响。该方法针对较高的侧壁加工效果会更好,加工表面完整性较高。
  2. 两侧等高环切法
    精铣侧壁的过程中,侧壁两侧相同高度区域同时去除余量,再逐层下降切削高度(见图6)。两侧等高环切法,可在加工中尽可能应用零件的未加工部分作为正在加工部分的支撑,保证加工过程中侧壁具有较高的刚性。
图6 两侧等高环切法
本文作者:中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司 李华睿
原载:《工具技术》2016年4月号
上载于:2016-7-27 15:41:06

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