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【速加方案】航天铝合金薄壁零件高效加工优化方案(二):加工工艺改进

2017-07-31 阅读 1719



二、加工工艺改进

粗加工的主要目的是去除材料,为精加工留合适的余量,因此粗加工一般不需要考虑工件的尺寸精度、表面质量以及变形问题,只要机床的功率允许,可以从多方面提高生产效率。

零件的精加工与粗加工有一定区别,在精加工中需要充分考虑装夹、走刀、工艺参数对零件内部应力的影响以及切削时切削力、切削热对零件结构的影响,控制变形,避免由于效率提升引起变形,造成零件精度及表面质量破坏。


2.1、切削刀具

选择更加合理的刀具可以直接提高生产效率。铝合金材料的切削加工对刀具材料要求不高,一般采用硬质合金铣刀即可,涂层可使用无涂层或金刚石涂层。在粗加工中由于不必考虑精度及质量问题,可以最大限度高效切除金属材料,因此可以选择大直径刀具,减少走刀次数,缩短走刀时间。另外,在粗加工中尽量选择密齿刀具替代疏齿刀具,可以增加每转进给量,在相同的转速下切削速度可以得到增加。在精加工中,除了考虑材料高效去除的问题,还应充分考虑薄壁构件在切削中受力变形控制问题。航天铝合金薄壁件精加工宜选用K系列硬质合金刀具(相当于我国原钨钴类,主要成分为WC+Co,代号为YG)。刀具前角不能太小,否则增大了切削变形和摩擦力,前刀面磨损加大,降低刀具使用寿命。切削试验表明:在高速铣削AlCuMgPb时前角每减少1°,则切削力增加1%。为此一般推荐使用γ0为12°左右。刀具后角的选取会影响刀具刚度,为了减少刀具和工件之间的摩擦,后角一定要选得大一些,必要时可采用双倒棱后角,在增大后角的同时保证刀具刚度。刃倾角影响了切屑流出的方向和各切削分力的大小,在铝合金切削时宜选用较大的刃倾角。在高速铣削铝合金时,一般推荐使用λs为20°~25°。此外,刀尖圆弧半径的选择应适当,刀齿不能太密,便于切屑排出,有利于进给量进一步提高,防止冷作硬化层,延长刀具使用寿命。


2.2、走刀轨迹

提速增效中一个较为有效的方法就是优化走刀轨迹,在高速切削时要保证刀位路径的方向性,即刀具轨迹尽可能简化,少转折点,路径尽量平滑,减少急速转向;应减少空走刀时间,尽可能增加切削时间在整个工件中的比例;应尽量采用回路切削,通过不中断切削过程和刀具路径,减少刀具的切入和切出次数,获得稳定、高效、高精度的切削过程。

在航天整体结构件的大型复杂曲面高速切削加工中,曲面曲率变化大时,应以最大曲率半径方向作为最优走刀方向,如图5所示;曲面曲率变化小时,曲率半径对走刀方向的影响减弱,宜选择单条刀轨平均长度最长的走刀方向,如图6所示。


图5  小曲率半径曲面的走刀路径


图6  大曲率半径的曲面走刀路径

在斜面加工时,若采用图7所示的横向水平走刀,每一段走刀距离都很短,在切削过程中主轴需要频繁换向,切削稳定性差,且由于切削的是斜面,水平走刀需要X或Y轴与Z轴的联动,不利于切削速度的提升。因此,针对此类斜面加工,走刀轨迹尽量安排为平行于最长斜边(见图8),不但走刀轨迹最长、换向次数最少,而且单道走刀都只是在XY平面运动切削,Z轴方向运动都是安排在工件轮廓之外的位置,即使在高速切削下亦可减小刀具损伤。


图7  横向水平走刀轨迹


图8  斜向平行走刀轨迹

2.3、切削参数

在粗加工时,一般可选择大进给量与适当大的切削深度并配以中等切削速度的“大功率”高效切削,更能达到高材料切除率,从而极大提高生产效率。而对于精加工来说,只有提高转速和增大齿数是可行的,而增大每齿进给量可能会降低表面精度,产生残余应力导致变形。所以往往通过高切削速度、低每齿进给量的“轻切快切”来保证生产效率的提高和产品的精度及表面质量。

切削参数可通过切削加工有限元分析和切削加工试验最终确定:利用Third Wave AdvantEdge 软件,针对不同工艺参数下的机床主轴功率与扭矩需求,进行了仿真分析运算,获取机床主轴能够很好地满足产品高速加工工艺需求的主轴转速、每齿进给量和切削深度等要素的可选范围。为切削试验参数选择提供指导性建议。

在Third Wave AdvantEdge软件内,通过新建任务,完成工件材料、刀具材料及涂层、刀具结构参数、切削用量的设定,进行仿真,获取某一切削用量下切削扭矩需求曲线图。根据曲线图显示数据确定在当前的切削用量下,切削功率及切削扭矩的最大需求,比对机床实际性能参数(电主轴扭矩、功率图)即可确定工艺参数的符合性。

例如,最高转速24000r/min的加工中心进行2219铝合金薄壁结构件高速粗铣加工,采用可转位刀具搭配无涂层细晶粒硬质合金刀片,选用φ25mm、φ32mm两个水平的刀具直径,进行仿真计算,结果如表1所示。其中,编号24-1刀具直径25mm,刀齿数3,主轴转速6000r/min,每齿进给量0.15mm/z,切削深度1.5mm。

表1  高速铣削粗加工的功率和扭矩仿真计算结果


(1)功率需求如图9所示。


图9  编号24-1切削用量下切削功率需求

(2)扭矩需求如图10所示。


图10  编号24-1切削用量下切削扭矩需求

从图9和图10可以看出,在当前的切削用量下,切削功率的最大需求为7kW,切削扭矩需求为11N·m。机床主轴最大转速为24000r/min的龙门高速加工中心在6000r/min时的最大功率输出为42kW(额定工作条件S1),最大输出扭矩为67N·m(额定工作条件S1),能够满足当前的加工需求。

通过对8组仿真结果确认可以发现,为了使机床的加工功率和扭矩能够满足切削加工用量的要求,必须合理选择刀具和切削用量,如表2所示。

表2  机床功率与扭矩需求分析


现有的龙门数控加工中心,机床主轴最高转速达24000r/min,在薄壁壁板的粗加工过程中,若选用φ25mm或者φ32mm可转位式刀具,对于切削用量的优化,主轴转速应适当提高,选择范围为12000~15000r/min;每齿进给量和切削深度不应过大,可选择范围分别为0.15mm/z和2~3mm。

在有限元分析所得参数可选范围内即可设计切削试验,以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌为评判标准,最终选取最优切削参数。


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