数控车床送两次料怎么编(你知道如何高速铣削加工薄壁件?)

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数控车床送两次料怎么编(你知道如何高速铣削加工薄壁件?)

薄壁件多指壁厚与轮廓尺寸之比不超过1∶20的工件,有薄壁箱型、薄壁筒型及薄板型等多种结构,具有空间占用比较小、质量轻等优势,被大量使用在航空航天、精密仪器等多个领域[1]。目前国内外主要采用数控技术、加工中心及高速加工方法加工薄壁件,特别是高速铣削的加工方式被广为采用,以此来满足薄壁件的高加工精度要求,以及提升工作效率。通过加工工艺方案分析及判定,减小高速切削过程中薄壁件的变形,最终满足工件成形技术要求。

本文针对薄壁件的特点、结构要求及工艺路线等进行理论分析,阐述薄壁件加工技术难点和工艺方案,重点使用数控车床和加工中心设备,以高速铣削方式达到零件的结构及精度要求。

01

影响薄壁件变形的多种因素及解决措施

(1)工件本身的结构及材料 汽车工业及航空航天领域存在大量回转类、板框类和曲面类工件,不同结构工件的强度、刚度存在差异。材料不同、力学性能不同,切削加工性就会产生很大的差异。

(2)夹具 工装夹具的结构和夹紧力对薄壁零件变形影响很大。工件若受夹紧力不均,则形位会发生变化,从而影响加工精度。预防措施一是采用圆弧形卡爪,将点接触变为面接触,增加接触面积;二是采用开口套,将卡爪的点受力转化成开口套的面夹紧,使得受力均匀,变形均匀;三是采取可溶性胶灌注,在工件内注入可溶性胶,之后夹紧[2]。

(3)工艺参数 根据工件图样选择相应的刀具,匹配合理的进给速度、转速及切削深度。可以采用高速切削技术来降低加工时的切削力,以减少变形。由于随着吃刀量的增大,切削力增大,工件的振动也会增大,因此在加工薄壁件时,应选择较小的吃刀量,以减少振动,从而保证加工精度[3]。

(4)其他影响因素 主要是工件受热变形。若冷却性能不理想,切削过程中刀具及工件摩擦产生的热量也会导致工件变形,从而降低加工精度。

02

工件结构

图1所示工件材质为LY12CZ铝合金,外圆直径514mm,厚度7mm。外圆直径大、厚度薄,属于典型的薄壁零件。外圆上有加工环槽,且环槽尺寸较长,圆周端面上均布12个加工孔和4个支耳,工件刚性差,装夹和加工过程中极易发生变形。同时零件的平面度有较高的要求,沟槽及外表面的表面粗糙度要求也较高,使得工件加工难度较大,如加工工艺路线选择不当,则加工精度无法控制,工件质量得不到保证。


图一工件

工艺分析

(1)结构分析 工件为环形零件,结构整体规则,圆周上小孔均匀分布,支耳对称分布,沟槽沿圆周均匀分布,无异形面,无复杂结构,工件结构规整简单。

(2)材料分析 零件材料牌号为LY12CZ,属于含镁铜基铝合金,材料强度较高,在退火、淬火状态下有较好的性能,切削性能尚可。

(3)精度要求 该工件重点要求平面度≤0.05mm,要求环形槽表面粗糙度值Ra=1.6mm,其他表面粗糙度值Ra=3.2mm,其余皆为自由公差,精度要求并不苛刻。

(4)成形分析 工件为环形回转类零件,可采取车削和铣削方式达到成形零件的结构及精度要求,重点使用设备为数控车床和加工中心。

(5)工艺难点 工件本身结构简单,精度较易控制。由于工件壁薄,外圆尺寸大(直径达514mm),加工过程中极易产生变形,如不采取可靠的变形控制措施,则容易出现不合格品,所以工艺成形的难点在于变形的控制。可通过控制工件的变形,在工装和加工设备的保证下,加工出合格成品。

04

工艺方案

4.1 方案一

主要工序如下。

(1)数控车一 来料质检后,胀夹零件内孔,下料。

(2)数控车二 时效处理后,端面见光,保证平面度及外圆公差。

(3)加工中心铣削一 车削好的端面及外圆定位,粗开内腔及支耳圆周正面,预留余量,并保证总厚度。

(4)加工中心铣削二 内腔轮廓、厚度及外圆依次加工到位后,铣削环槽及外圆倒角到位,以外圆定位,再加工支耳螺纹到位。

(5)四轴加工中心铣削 外圆分中找正,圆周内孔及环槽清根到位。

(6)钳工序 倒钝锐边,去毛刺。

4.2 方案二

主要工序如下。

(1)数控车一 来料质检后,胀夹零件内孔,下料。

(2)数控车二 时效处理后,端面见光,保证平面度及外圆公差。

(3)加工中心铣削一 车削好的端面及外圆定位,粗开内腔及支耳圆周正面开粗,预留余量,并保证总厚度。加工完成后,每件用三坐标测量仪标记零件变形位置和变形量。

(4)加工中心铣削二 时效处理后,正面铣预留余量,并保证平面度。

(5)加工中心铣削三 以铣好平面定位,正面铣内腔及工艺支耳,预留余量,翻面开粗内腔及工艺支耳,预留余量,加工后用三坐标测量仪重点检测外圆及平面度,标记零件变形位置,若变形量大于要求,则全批次加工本序。

(6)加工中心铣削四 外圆定位,铣削内腔工艺支耳、外圆及表面到余量尺寸,翻面正面内腔开粗及工艺支耳加工到余量尺寸,加工后用三坐标测量仪重点检测外圆及平面度,标记零件变形位置,若变形量大于要求,则全批次加工本序。

(7)线切割 线切割去除两处工艺凸台,与内腔相接平,

(8)加工中心铣削五 外圆定位,铣削内腔轮廓、工艺支耳、外圆及表面,预留余量,用三坐标测量仪重点检测外圆及平面度,标记零件变形位置,根据变形量确认是否增加热处理工序。

(9)加工中心铣削六 外圆定位,先加工零件内腔轮廓到位,换压板加工外圆和厚度到位,T形刀加工圆周半环槽到位,外圆倒角加工到位,正面支耳加工到位,并进行首件检测。

(10)四轴加工中心铣削 外圆分中找正,圆周内孔及环槽清根到位。

(11)钳工序 倒钝锐边,去毛刺。

05

工艺方案比较

方案一下料后,一次性时效处理,端面见光,精度一次性到位,并以此端面为基准,加工后续外圆和内腔,通过粗、精两次加工达到工件成形。该方案工艺简单,能保证端面的平面度,加工速度快,但加工过程中工件变形不易控制,无过程监控,容易出现质量瑕疵,达不到尺寸及精度要求。

方案二前三道工序与方案一相同,第五道工序外圆及内腔开粗后,保留加工余量,并用三坐标测量仪检测工件变形量,通过时效处理、预留富余加工余量反复加工,以及使用三坐标测量仪进行外圆和平面度的过程检测,确保工件成形合格率。

方案一工艺流程简单,加工成本低,加工效率高,但工件变形过程控制手段缺失,易产生因工件变形而引起的不合格品;方案二工艺流程科学合理,采取变形控制措施,严格控制工件加工过程中的变形,有效解决了因工件变形而引起的产品不良问题,但是加工成本高。

由于方案二从根本上解决了工件变形、质量问题,优于方案一,因此采用方案二进行该薄壁件的加工更符合技术要求。

过程检验控制

加工过程中,对工件加工工序的过程检验是必不可少的程序,需要使用专业的检具和量具来完成零件尺寸和精度的检测。方案一没有采取相应的检测手段来测量工件的变形,主要依靠主观经验进行判断;方案二重点通过三坐标测量仪来检测工件的重要变形数据指标,使用客观科学的数据说话,对变形的位置、变形量进行精确掌握和分析,为判定下一步工序操作提供有力证据,从而可采取相应的措施,消除变形引起的偏差,加工出合格的零件。

07变形的控制

从影响薄壁件变形因素的角度入手,主要从以下几个方面进行变形控制。

(1)装夹方式 使用软卡爪胀夹内孔,避免车削过程中工件变形带来的尺寸偏差,同时在工件内腔左右两处留工艺凸台(见图2),凸台形状与支耳一致,便于零件装夹,减少零件变形。


图2 工艺凸台

(2)降低工件残余应力 LY12CZ铝合金材料在加工过程中会产生内应力释放,从而产生材料变形。由于采用退火处理方式难以控制变形,因此采用在200℃保温12h、空冷的时效处理方式,消除加工残余应力,减少工件变形。

(3)使用合理的工艺参数 高速切削过程中,为减小切削力,减小工件变形,尽量使用小的轴向切削深度,可以选择较大的径向切削深度,甚至可以大于刀具的半径。径向切削深度大于刀具半径时,随着切削用量增加,加工效率提高,而切削力最大值却保持在一个稳定值。切削速度的变化并不会影响薄壁件的几何结构尺寸,在主轴转速允许的前提下,可以尽量选择大的切削速度。

(4)其他因素的控制 薄壁件变形不仅受切削工艺参数的影响,还受走刀路径、机械振动和冷却方式等综合因素的影响。在走刀路径上,应以尽量减少工件最小刚度部位上的作用力为原则,可以采用对称加工或阶梯式加工的路径;在切削液方面,应加强加工中心的日常检查,查看冷却循环系统是否正常工作,切削液使用是否得当,参数设置是否合理。从而降低工件加工变形,保护刀具,延长刀具的使用寿命。

薄壁件的加工是公认的难题,且薄壁件有向极薄化方向发展的趋势,加工过程中主要是防止薄壁件发生变形而影响加工精度。通过制定合理的加工工艺路线,改善装夹夹具,选择科学的走刀路径及工艺参数,可以有效地降低薄壁件的变形,保证工件加工精度,提升加工效率。

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