壳体类零件数控高效加工工艺技术研究

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摘要:文章对壳体类零件数控高效加工工艺技术进行了专题分析和讨论,内容包括从数控高效加工工艺原则的制定到实现高速切削的具体条件,对其粗加工、半精加工、精加工工序全程提出了解决方案。

关键词:壳体类零件;数控高效加工;工艺技术

中图分类号:TG659文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2009)23-0056-03

一、壳体类零件装夹时需注意的问题

壳体铸件毛坯尺寸和表面形状允差小,以保证加工余量均匀,壳体零件硬度变化范围小,以保证刀具寿命稳定,保证精加工的质量(尺寸精度、表面粗糙度等)稳定。有时因为在加工中心上装夹的需要,还要在壳体上预作出工艺凸台、工艺平面。壳体类零件一般以“一面两销”方式装夹(见图1),还应做到:

1.选用精基准定位,以减少定位误差。

2.尽量与设计基准重合,以减少基准不重合产生的定位误差。

3.所选定位基准应尽量减少随设备的不同而带来的变化(卧式加工中心、立式加工中心、普通设备)。

4.所选基准应有利于夹具结构的通用化,能有效减少壳体在夹具上的安装误差。

5.能使得夹具夹紧机构简单、稳定。

6.应使壳体露出尽可能多的加工面,以便于实现多面加工,利于保证加工面间的相对位置精度和技术要求,且减少加工设备的数量。

7.壳体往往较大、较重,所选定位基准应使所加工的零件尽可能多露出加工面,以便实现多面加工,以确保加工面间相对位置精度。

二、拟定工艺流程应遵守的原则

1.正确选择各加工面的工艺方法和工步数。

2.合理确定工序间余量。

3.先面后孔,先加工定位基准面,再加工其余面和孔。

4.粗精加工分开,先粗后精,对于同一加工表面的粗精加工工步在加工时应拉开一段时间,以避免切削热、机床振动、残余应力以及夹紧力对精加工的影响。重要表面的粗加工工序应尽可能提前,以利于及时发现和剔除废品。

5.工序的适当集中与合力分散相结合:(1)工序集中可提高加工效率,减少设备数量,简化生产现场加工系统的结构;(2)将壳体零件的有相互位置精度要求的加工表面在加工中心一个工位加工出来;(3)加工中心上工序集中一般采用多刀、多轴、多面或多工件同时加工;(4)加工中心工序集中的程度以保证壳体加工精度,加工时不超出加工中心的性能范围,不得使数控刀具调整和更换过于困难;(5)工序分散能简化数控刀具的结构,使得加工中心便于调整、维护、操作,也有利于平衡限制工序加工节拍,提高加工中心的利用率。工序适当单一化,镗大孔、攻螺纹等工序无需集中在同一加工中心上,攻螺纹可在专门的钻削中心上进行。

三、数控高效加工壳体类零件工艺的要求

1.保持切削载荷平稳。

2.最小的进给率损失。

3.最大的程序处理速度(或最快的走刀方案)。

壳体类零件高效加工中的高速必须是载荷均匀的,有合理的粗加工和半精加工方案,使工件留有较均匀的留量,达到控制切削载荷匀式的目的。将壳体类零件粗精加工在加工中心上合并,原则上按先铣大面,再铣小面,先大孔,再小孔,再加工螺纹孔。争取在加工中心上一次装夹中,完成全部铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹。

在粗加工时,加工效率以每分钟切除的工件材料的体积计算,即用单位时间金属切除率表示,它与切削速度、进给量和切削深度成正比。在精加工时,加工效率则以每分钟铣切的加工面的面积大小表示。

一般来说,粗加工采用常规铣(铝合金和非铁合金除外),精加工采用高速铣。在粗加工之后的半成品工件上(残留毛坯),怎样用半精加工去除那些不均匀的多余材料,留下一个余量比较均匀的半成品毛坯是非常重要的。壳体类零件往往以铣好的面作为直接测量基准,除镗孔外,铣削时间占切削时间的第二位,壳体类零件高效加工时,应争首先采用高速铣(我厂绝大部分壳体类零件为点位加工)。高效加工要对壳体零件的粗加工、半精加工、精加工作为一个整体考虑设计一个合理的加工工艺方案,做到整体优化。

高速铣削加工工艺特点为大量采用分层加工,轮廓加工采用小的粗糙度,切除率尽量保持常数,防止产生切削的二次切断,很窄的公差带,浅切削(切削深度不大于刀具直径的10%),高的切削速度(达到机床极限),用斜坡和螺旋式进刀。

四、高速铣削加工主要工艺原则

1.粗加工工艺原则。大部份材料在粗加工中去除。表面质量和轮廓精度没有什么要求。在这里,刀具磨损是严重的,等量切削的条件很难达到。最重要的是让机床平稳、协调地工作,避免急剧的切削方向改变。

粗加工高速切削条件如下:(1)刀具总是用5°的倾角,以螺旋或倾斜方式进入工件材料;(2)进给率和机床转速之比应该达到最佳,它与刀具材料和工件材料有关,同时,还取决于机床和CNC系统的能力;(3)要避免突然改变方向,即使在减少进给量或刀具停止时也要避免。另外,如果进给量一下变为零,将会引起刀具和工件之间的磨擦增大,可能减少刀具寿命,或者在严重情况下,会造成刀具的立即损坏(由于产生过渡的热);(4)为了平稳从容地加工硬化了的材料,径向进刀量不得大于6%～8%的刀具直径,深度进给量最大不超过5%的刀具直径。

2.半精加工工艺原则:半精加工的目的是把前道工序加工后的残留加工面变得平滑,同时去除拐角处的多余材料,在工件加工表面留下一层比较均匀的余量,为精加工的高速铣做准备。决不能忽视半精加工,否则会造成表面质量、轮廓精度、刀具寿命的降低。

半精加工高速切削条件如下:(1)避免急剧的铣切运动;(2)为避免过切,刀具直接下沉到下一个切削平面(层间距离较小),不可采用螺旋或斜坡进刀);(3)径向进刀量小于6%～8%的刀具直径;(4)满足等量切削条件。

半精加工常采用以下两种方法(以铣削为例):一是“剩余材料铣切”。它是用一把较小的刀具切削那些材料残留区域,该区域是前一把大的刀具加工留下来的,剩余材料铣切能自动识别这些材料残留区域。二是“Z向分层螺旋式铣切”,该方法让刀具沿Z向螺旋下降进行加工,它能避免突然的尖锐的刀具运动。

3.精加工工艺原则:精加工是数控加工的最后一道工序,其目的是按设计要求,达到最好的表面质量和轮廓精度。

精加工的刀位轨迹紧贴着轮廓表面,贯穿轮廓表面的刀位轨迹应是平稳的、没有剧烈的方向改变。精加工可用最佳的切削速度、大的进给率,小的步距(横向进给率)。太高的切削速度、太小的步距或对刀具切削刃涂层的烧蚀估计不足,会由于过热造成刀具材料的断裂(特别是对硬化材料的加工)。

精加工的高速切削条件如下:(1)避免急剧变化的刀具运动;(2)避免在外形轮廓上进刀和退刀,轮廓铣直接下沉到下一个深度,如果做不到直接下沉,可用螺旋或斜坡下沉;(3)每齿的横向进刀量,(fz)要与径向进刀量相当;(4)采用实际粗糙度铣切――用刀具粗糙度值计算步距;(5)每齿进刀量为常数,可达到最好的表面加工质量。

五、高速铣削常见工艺问题处理

顺铣时,切削力的方向从刀具指向工件,工件受压;逆铣时,切削力的方向从工件指向刀具,工件受拉。一般来说,逆铣加工能优化切削效率,顺铣加工能产生较好的表面质量。一般而言,粗加工以顺铣为主,可减少刀具磨损。尽管顺铣有不必要的刀具空程运动,但移动速度的提高足以弥补该损失。切削厚度小于0.3mm时,可安全组合顺、逆铣进行加工。加工刚性较小的薄壁结构件时,应使用顺铣。

分层铣削是高速铣(见图2)经常采用的一种方法,分层铣削能控制切削载荷均匀,在粗加工中非常适用。对分层铣削的要求如下:

应在一个操作中完成多层的切削;在一个操作中完成多个区域加工;薄壁零件要用分层铣削;采用层间进刀,进刀方式可用直线、圆弧、螺旋等;保持刀具与工件持续的接触。

尽量采用螺旋线、圆弧或斜线方式进退刀,小的下倾角,圆滑过渡;对多层切削,要用层间进退刀,减小进退刀的相对高度。

进退刀可采用:斜线进退刀、按外形进退刀、螺旋进退刀。在精加工时,避免在工件表面上进刀,最好在工件外部进刀。

螺旋走刀方式是一种保证切削载荷均匀最有效的方法之一,它只有一次进退刀,整条刀位轨迹连续不断切削路径的方向变化平稳,适合高速铣的轮廓加工。对外型和型腔均可采用,可以达到较高的效率。

刀具路径的优化包括:和并或消除那些零碎的短的刀位轨迹,合理安排切削区域的加工顺序,减少进退刀的次数及空刀移动的距离。在保证零件公差要求的前提下,尽可能减少程序段数。

当零件带有缝隙时,生成的刀位轨迹不连续。采用合适的融合距离,使这些不连续的刀位轨迹连成一体,消除了频繁的进退刀和加工隐患。融合距离――用于限制小的不连续的刀具运动,或消除刀位轨迹中的有害的缝隙,当进刀退刀距离小于合并距离时,两个刀轨合并。

最小轨迹长度的设定:用于限制短的刀位轨迹的产生,如果切削移动的距离小于给定的最小轨迹长度,则不产生刀位轨迹。

在刀位路径中,要减少和避免全刀宽切削,从而提高进给速度,且减少刀具的磨损和损伤。

刀位轨迹的横向过渡有以下几种:(1)抬刀式过渡。为了避免行间过渡时方向急剧变化和全刀宽切削,可用抬刀过渡:“高尔夫球杆”式过渡、抬刀到安全平面过渡;(2)各种过渡方式。包括:不延伸过渡、线性延伸过渡、圆弧延伸过渡、线性加圆弧延伸过渡;(3)步距间圆弧过渡。

参考文献

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