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数控技术在飞机上舱门框体高速加工应用
2013-09-23 00:02:47  作者:李云花 张丽红  来源:互联网
  • 某轻型公务机上舱门框体零件所采用的高速数控加工工艺、工装的订制、加工刀具、编程、变形控制技术等方面进行研究分析,同时论述了如何解决这类零件加工难点及提高生产效率问题。

  一 工艺性分析

  上舱门框体零件为双曲面零件(见图1),零件尺寸约为870mm×630mm,材料为7050一T7451,毛坯形状为R768.35ram环锻件的五分之一。其加工难点是:

  

  图1上舱门框体零件结构图

  1.零件为双曲面零件且毛坯为环锻件,难以装夹定位;

  2.零件腹板、筋条壁薄,局部壁厚为0.762 mm,加工时容易产生变形;

  3.凸面形面粗糙度为1.60an,要求机加达到,不允许钳工打磨;

  4.零件中大斜面“T”型槽(见图2)深度达11mm。

  

  图2大斜面“T”型槽

  二 加工设备

  根据零件特点,选用了五座标立式加工中心高速铣机床进行加工,该机床主要参数:

  ☆X方向行程2700mm;

  ☆Y方向行程1100mm;

  ☆Z方向行程1000mm;

  ☆A+400一一110。,C±1900;

  ☆主轴功率27kW;

  ☆机床最高转速24000rpm。

  三 刀具的选择。

  为充分发挥高速加工中心的作用,保证零件的加工质量,我们对该零件的加工刀具进行了合理的选择。

  1 选择刀具的原则

  ☆选择结实、刚性好的刀具结构,例如硬质合金刀具;

  ☆尽可能选择长径比小的刀具,避免过长悬伸;

  ☆采用平衡刀具和刀柄;

  ☆刀体应该有尽可能大的容屑槽;

  ☆刀具中心最好制成带孔结构,以便于吹气和冷却;

  ☆对镶齿刀具,必须要有高精度刀片座和可靠的固定;

  ☆尽可能选择短切刃,减少振动;

  ☆选用耐用隔热镀层,提高耐磨性。

  2 “T”型刀的订制

  上舱门框体中存在大斜面“T”型槽,深度达1lmm,根据零件的结构特点和高速加工刀具选择原则,我们订制如图3、图4所示的“T”型刀具。

  

  图3“T”型刀具尺寸(mm)

  

  图4“T”型刀具

  四 工艺路线安排

  加工工艺路线安排:凹面粗加工一翻面_+凸面粗精加工一翻面一凹面精加工。由于该零件材料的去除主要在凹面,先粗加工凹面可以有效释放应力,控制零件变形。另外根据高速加工技术的特性,不再需要普通数控加工方案中半精加工、校正、时效等中间工序,从而大大缩短了生产周期。

  五 装夹、定位方案

  上舱门框体为双曲面零件,毛坯状态为环锻件,不好装夹和定位。通过对零件结构、毛坯状态分析及为了确保零件的加工质量,决定订制三套型面铣床夹具工装。工装两头要求做出两个工艺孔(用于找正工装),同时在工装上制出夹紧螺纹孔。为减小螺钉的长度以便装夹和工装制造,工装上的螺纹孔垂直定位面。

  1 凹面粗加工工装

  以五分之一环锻件的凸面定位,粗加工凹面各框。为能够快速定位找正零件,首先根据毛坯的实际余量,在工装两侧装上挡销,零件贴紧挡销,保证四周加工余量均匀后用压板压紧零件,然后在零件上制出装夹定位工艺孔及夹紧螺纹孔,以便零件在进行凹面粗加工时用螺钉夹紧。之后,松开压板夹紧螺钉,避免加工中刀具与压板产生碰撞(见图5、图6)。

  

   2 凸面粗、精加工工装

  以粗加工了的凹面和零件上两装夹定位工艺孔定位,夹紧螺钉,粗、精加工凸面(见图7)。

  

  图7凸面粗、精加工工装图

  3 凹面精加工工装

  以零件凸面和零件上两装夹定位工艺孔定位,夹紧螺钉,精加工凹面各框(见图8)。

  

  图8凹面精加工工装

  六 程序的编制

  使用UG编程软件编制加工程序,编程时充分利用软件功能,将高速加工理念贯彻到加工程序中,根据零件结构特点、难点。从零件加工的工艺流程进行阐述程序的编制。‘

  1 凹面粗加工编程

  上舱门框体为框类零件,在凹面粗加工过程中,单面大量材料的去除容易导致零件的变形。为解决零件的变形主要采用如下方法:首先使用固定轴的加工方式粗加工凹面顶面(见图9),保证表面余量均匀为3mm;然后采用对称分层优先去除余量走刀方法粗加工各个框(见图10,按照图示数字顺序(1、2...12、13)进行加工)。这样可使材料均匀地被去除,同时,又使残余应力重新分布而引起的加工变形尽可能的减少。在编制程序时,控制加工轨迹光滑圆弧过渡,转角处不出现尖角,避免在转角处出现大幅度的减速,以保证零件质量和提高加工效率。

  

  2 凸面粗、精加工编程

  凸面为零件的理论外形面,粗糙度为1.6μm,要求机械加工保证,不允许钳工打磨。为保证零件形面粗糙度要求,同时提高加工效率,通过反复的试切试验,首先采用固定轴的加工方式去除大量材料,然后留1mm余量采用变轴加工的方式精加工零件形面,刀轴始终垂直零件形面,驱动方式采用曲面驱动,这样能有效保证形面粗糙度。

  另外,由于机床主轴角度变化大,刀具会在零件形面留下转动痕迹,影响形面加工粗糙度要求,可利用CUTYING中的参数定义角度变化范围,控制刀轴角度变化大小(见图11)。主轴角度变化减小,避免进给速度大幅度变化,这样不但满足了形面加工粗糙度要求,也提高了加工效率。

  

  图11 CUTING参数定义

  3 凹面精加工编程式

  (1)腹板精加工

  在加工腹板时,刀位路线为法向腹板面行切,不采用环切,并且不出现重复的刀具路径。这样加工出来的零件不容易变形、鼓动,具有良好的表面粗糙度。

  (2)筋条精加工

  零件局部筋条的厚度为0.762mm,为保证筋条的厚度,采用错层加工方式(见图12),以便增加零件的刚性。另外切人和切出筋条面时尽量采用切向圆弧进刀和退刀,在筋条面上作出用于编制进退刀程序的相切筋条的圆弧辅助面(见图13),以达到恒定的切削条件,避免让刀,保证了筋条的厚度。

  

    图13圆弧辅助面

  (3)T型槽加工

  图13圆弧辅助面由于T型刀的切削性能差,因此尽量不采用变轴加工方式,而使用固定轴加工方式以减小切削接触面,保证切削恒定。第一层切削为满刀切削,进给速度必须比后续的分层加工进给速度低,因此把第一层切削单独分出来设置较低的进给速度。

  七 程序的仿真

  通过计算机模拟仿真手段可以检测程序正确性以及刀具与工装是否存在碰撞等问题。该零件采用VERICUT软件进行模拟仿真,具体操作步骤如下:

  ☆建立所使用的机床结构、刀柄、刀具结构。

  ☆建立控制系统文件。

  ☆建立毛坯:由于该项零件的毛坯为环段件的五分之一,在VERICUT软件中不便建立,在UG中将毛坯建好,再通过.stl格式导人VERICUT中。

  ☆设置加工坐标系及各部件间的碰撞关系。

  ☆设置G代码程序,并选择相对应的加工坐标系和刀具,即可进行仿真加工。

  ☆仿真加工完成后,利用VERICUT自动对比功能将设计模型通过.sd格式导人VERICUT中,定义坐标系使设计模型与仿真模型重合,通过对比计算可以快速得出过切区域和残余区域,再根据过切和残余情况调整程序,确保产品质量和操作安。

  9 结论

  目前,上舱门框体零件已生产了8架份,通过检验与测试完全符合蓝图、数模要求;并通过试装验证满足设计技术要求。我们在研究上舱门框体零件的高速铣削中取得以下成果:

  ☆采用对称分层层优先去除余量走刀方法可以有效控制零件变形。

  ☆采用变轴加工方式解决了加工形面粗糙度1.6μm的要求。

  ☆采用错层加工方式保证了筋条厚度0.762mm。

  ☆首次在高速机床上使用中38mm大直径的T型刀,为T型刀用于高速编程提供参考经验。



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