大型銅合金薄壁件的制造工藝探究范文
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《東方電氣評(píng)論雜志》2016年第2期
摘要:
針對(duì)一種結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、加工工藝性差的銅合金薄壁件在銑削加工時(shí)產(chǎn)生變形的原因及控制方法作了重點(diǎn)研究，提出了一套高效的數(shù)控加工工藝方案。該技術(shù)已成功用于某大型銅合金薄壁件的批量數(shù)控制造，為該類大型細(xì)長(zhǎng)銅合金薄壁件的加工提供了技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:
銅合金薄壁件;加工變形;刀位路徑規(guī)劃;工藝
在航空業(yè)中已廣泛使用鋁合金薄壁件，其結(jié)構(gòu)多為側(cè)壁和腹板組成，切削余量很不均勻。這類結(jié)構(gòu)在切削力的作用下極易產(chǎn)生變形，造成厚度尺寸偏差，極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量，多年來(lái)一直困擾著機(jī)械加工工程師。國(guó)內(nèi)外很多知名專家都探索過(guò)此類零件的數(shù)控加工工藝方案，是一個(gè)比較難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)制造難題。本文研究的銅合金薄壁件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，其輪廓尺寸相對(duì)截面尺寸較大，數(shù)控加工余量大、不均勻，銅合金的剛度低，故加工工藝性差。國(guó)內(nèi)外針對(duì)大型細(xì)長(zhǎng)薄壁類零件數(shù)控加工的研究很少，且只通過(guò)單一的冷加工方式完成這類零件制造的更少。
1某銅合金薄壁工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)
1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析
圖1為某大型銅合金薄壁件的外形結(jié)構(gòu)圖，該工件屬于典型的長(zhǎng)條薄壁零件，正、背面與中心線成楔形夾角，L段與中心線成1°～5°斜角。長(zhǎng)5000mm，最厚處50mm，最薄處11mm，銅合金材料。各面平面度小于0.05mm，厚度公差小于0.15mm，各加工面相互位置度0.03mm～0.06mm。
1.2加工難點(diǎn)分析
根據(jù)該銅合金薄壁件的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求分析，其加工的主要難點(diǎn)在于:(1)機(jī)床精度對(duì)工件幾何精度的影響;(2)毛坯殘余應(yīng)力引起的加工變形;(3)工件吊裝過(guò)程引起的變形。針對(duì)上述主要的加工難點(diǎn)，具體分析機(jī)床精度、加工變形、工件翻身吊裝對(duì)加工的影響及解決措施，作出相應(yīng)的工藝方案并進(jìn)行首件試加工。對(duì)加工工序和路線、工件的裝卡方式、裝卡位置、刀具軌跡以及切削參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，將工件的加工變形控制在許可的范圍之內(nèi)，提高工件的加工效率和產(chǎn)品合格率。
2數(shù)控機(jī)床精度對(duì)工件幾何精度的影響及加工機(jī)床選擇
2.1數(shù)控機(jī)床精度對(duì)工件幾何精度的影響
數(shù)控機(jī)床精度對(duì)工件幾何精度的影響主要有以下幾個(gè)方面。(1)數(shù)控龍門銑X軸傾斜度、2條X軸平行度對(duì)工件幾何精度的影響。X軸傾斜度、2條X軸平行度過(guò)大，加工刀具軌跡不在一個(gè)平面運(yùn)行，導(dǎo)致加工工件正、背面在長(zhǎng)度方向上厚度不等，平面度、厚度公差、加工面相互位置度超差。(2)數(shù)控龍門銑X軸、Y軸直線度對(duì)工件幾何精度的影響。X軸、Y軸直線度過(guò)大，導(dǎo)致加工工件表面成波浪狀，平面度超差。(3)數(shù)控龍門銑Y軸傾斜度對(duì)工件幾何精度的影響。Y軸傾斜度過(guò)大，導(dǎo)致工件正、背面與中心線楔形夾角超差。(4)機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度對(duì)工件幾何精度的影響。機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度超差，導(dǎo)致加工件幾何尺寸、加工表面質(zhì)量超差。
2.2數(shù)控加工機(jī)床選擇
根據(jù)該銅合金薄壁件的結(jié)構(gòu)和精度要求，為減小機(jī)床精度對(duì)工件加工幾何精度的影響，加工前需對(duì)機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)，使數(shù)控機(jī)床滿足以下要求。
2.2.1數(shù)控龍門銑機(jī)床規(guī)格及附件銑頭配置
工作臺(tái):長(zhǎng)5.5m，寬3.5m，X軸行程大于6m，Y軸行程大于4m;萬(wàn)能角度銑頭:C軸、A軸能任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)定位。
2.2.2機(jī)床幾何精度
傾斜度:X軸、Y軸＜0.03/m;平行度:2條X軸＜0.03/m;直線度:X軸、Y軸＜0.03/m。
2.2.3機(jī)床定位精度
X/Y/Z軸:0.015mm/2000mm。2.2.4重復(fù)定位精度X/Y/Z軸:0.01mm/2000mm。
3引起薄壁件數(shù)控加工變形的原因分析及控制方法
在切削加工中，加工變形現(xiàn)象普遍存在，整體壁板、框架類等零件變形比較其他結(jié)構(gòu)類型零件更為嚴(yán)重。
3.1引起工件變形的主要原因
引起工件變形的因素很多很復(fù)雜，主要有以下幾種。(1)毛坯殘余應(yīng)力引起的加工變形。(2)切削力引起的變形。(3)切削熱引起的變形。切削熱引起的變形是加工變形的主要因素之一，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)切削導(dǎo)致工件溫度不斷升高，工件彎曲變形。切削加工后溫度降到常溫，已加工面變形，導(dǎo)致加工面平面度超差。(4)工件裝夾引起的變形。(5)自然失效引起的變形。
3.2大型銅合金薄壁件數(shù)控加工變形控制方案
控制加工變形的常用方法:①降低或均化毛坯殘余應(yīng)力;②合理的加工工序和刀位路徑規(guī)劃;③合理的切削加工參數(shù);④良好的冷卻潤(rùn)滑;⑤無(wú)附加應(yīng)力的裝夾。
3.2.1降低或均化毛坯殘余應(yīng)力
理論和實(shí)驗(yàn)表明，切削加工最大變形量一般出現(xiàn)在銑削量60%～70%左右，后續(xù)加工的變形量逐步減小。實(shí)際加工中，當(dāng)銑削量達(dá)到60%～70%后，可將工件從夾具上卸下，使其自由變形后盡量保持自由裝夾，再進(jìn)行后續(xù)加工，可以很大程度上消除工件加工變形。因此，該銅合金件段鍛造后，需進(jìn)行粗加工，以降低毛坯殘余應(yīng)力引起的變形。工件單面留加工余量5mm，周邊留加工余量6mm～8mm，保證變形余量，便于后續(xù)加工裝夾。
3.2.2合理的加工工序和刀位路徑規(guī)劃技術(shù)
該薄壁件經(jīng)過(guò)粗加工和運(yùn)輸震動(dòng)，殘余應(yīng)力得到很大釋放。半精加工采用逐層切削，正、背面滾動(dòng)加工，后續(xù)加工的變形量逐步減小。使其自由變形后盡量保持無(wú)附加應(yīng)力的自由裝夾，再進(jìn)行精加工。為檢驗(yàn)加工方案的合理性，進(jìn)行試加工對(duì)加工工序和路線、工件的裝夾方式、裝夾位置、刀具軌跡、冷卻潤(rùn)滑、合理的切削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用壓板裝壓固定，對(duì)等厚銅合金板材加工，由于工件各部位切削加工余量相差很大，加工后彎曲變形3mm～5mm。圖2為大面加工刀位路徑規(guī)劃方案，圖3為指型槽配加工刀位路徑規(guī)劃方案。
3.2.3切削加工參數(shù)
該大型薄壁工件的材料為銅合金，布氏硬度:250。綜合機(jī)床精度、萬(wàn)能角銑頭定位角度誤差等因素對(duì)加工面幾何精度和表面質(zhì)量的影響，選擇80方尖銑刀，刀具切削后角6°，刀片選用R0.8圓角的標(biāo)準(zhǔn)K10－K20硬質(zhì)合金刀片。切削加工參數(shù)根據(jù)銅合金材料切削加工參數(shù)、綜合切削力、切削熱引起的加工變形、薄壁零件加工特性、加工效率等因素確定。表1為切削參數(shù)。
3.2.4冷卻潤(rùn)滑
切削熱引起的變形是加工變形的主要因素之一，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)切削導(dǎo)致工件溫度不斷升高，工件彎曲變形。切削加工后溫度降到常溫，已加工面變形，導(dǎo)致加工面平面度超差。銅合金材料熱膨脹系數(shù)較大，銅合金切削加工冷卻比潤(rùn)滑更重要，使用水溶性的潤(rùn)滑冷卻液，添加5%～10%的冷卻潤(rùn)滑劑，能達(dá)到良好的冷卻潤(rùn)滑效果。同時(shí)，避免長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)切削，嚴(yán)格檢測(cè)控制加工過(guò)程溫差變化。
3.2.5無(wú)附加應(yīng)力的裝夾
合理的裝夾方案可以大大減小裝夾所引起的附加殘余應(yīng)力。采用正、背面胎具進(jìn)行支撐、無(wú)附加應(yīng)力的裝夾方式定位工件，可減小因裝夾引起的變形。正、背面胎具設(shè)計(jì)成分段式，減小胎具受溫差變化而變形的影響。裝夾定位方式采用側(cè)面頂塊定位工件，頂塊沿工件長(zhǎng)度方向布置，減小切削熱引起的工件變形，使工件受熱延伸后盡量保持無(wú)附加應(yīng)力的自由裝夾。圖4為工裝及壓板示意圖。
4大型銅合金薄壁件的實(shí)際加工驗(yàn)證
對(duì)余量較大的工件加工面采用逐層切削，半精加工每層0.5mm，正、背面滾動(dòng)加工。加工過(guò)程檢測(cè)結(jié)果，每層加工溫度升高4℃～6℃，每加工2層溫度升高7℃～8℃，加工面平面度0.07mm，加工余量均勻，加工變形控制在許可的范圍之內(nèi)。精加工每層0.3mm，正、背面滾動(dòng)加工，最后一刀精加工量0.1mm。檢測(cè)結(jié)果顯示，每層加工溫度升高3℃，加工面平面度0.03mm，滿足加工要求。圖5為加工件的虛擬仿真圖與實(shí)際加工圖片。
5結(jié)語(yǔ)
該大型銅合金薄壁件經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)加工、檢測(cè)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)加工與試加工進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了引起大型薄壁零件加工變形的幾個(gè)關(guān)鍵因素，并在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)工藝方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。(1)加工余量均勻，加工變形較小。加工件局部余量較大，加工變形較大。(2)分段式胎具在加工過(guò)程中沒(méi)有變形，整體式胎具在加工過(guò)程中有輕微變形(胎具支撐面平面度0.06mm～0.08mm)。大型薄壁零件支撐裝夾胎具采用分段式結(jié)構(gòu)效果更好。(3)逐層切削，正、背面滾動(dòng)加工，后續(xù)加工的變形量逐步減小。自由變形后盡量保持無(wú)附加應(yīng)力的自由裝夾，進(jìn)行精加工，對(duì)減小加工變形效果明顯。
作者:劉軍 吳家奎 謝賢斌 胡章洪 單位:東方電氣東方電機(jī)有限公司
