力臂调节器薄壁套筒螺旋导程槽加工改进
2019-6-24 来源：中航工业贵阳万江航空机电有限公司 作者：汪奎
摘要：分析了薄壁套筒零件外圆螺旋槽的建模和加工方法。通过UG软件与四轴联动加工中心的完美结合，为类似零件的数控加工提供了新的路径与技巧。
1. 产品结构和加工难点
图1所示产品为全晶体力臂调节器，主要功能是调节飞机机翼的水平平衡，用于多种机型的歼击机和其他机种。组成产品的零部件及元器件中，薄壁套筒（见图1b）是一个重要件，它装在产品内部，不外露。其外圆上的三处螺旋导程角是加工中的难点。
图1 全晶体化力臂调节器
图2 所示为该套筒的外形 尺寸 ， 其结构特点是 ： ①零件壁薄 ， 最薄处尺寸仅为0 . 925 mm 。②外圆上沿 120 °方向均匀分布 3 处螺旋槽 ， 槽宽为（10±0.008）m m，螺旋槽的 导 程 角 是 26 °± 5 ′ ， 根部R0.5 mm ，表面粗糙度值R a ＝0.4 μ m 。③薄壁外圆一端要插齿，模数m＝0.5，齿数z＝108，压力角α＝20°，齿顶高系数ha*＝1，径向间隙系数c*＝0.2，精度等级6h（GB 2363—2005）。④零件材料为30Cr Mn Si A（GJB 2609 — 1996 ），热处理硬度 41～45H R C，表面处理镀铬5～8μm。
图2 薄壁套筒外形尺寸
薄壁套筒的加工难点为：①薄壁件刚性较差，加工过程中产生的振动导致表面质量差，产生变形，不好保证精度。②薄壁件在外圆上插齿，插齿过程中产生的范成运动、切削运动和进给运动容易导致零件变形，齿轮精度不好保证，尤其是齿形误差易受影响。③材料为30Cr Mn Si A，属于中碳钢，有较高的综合机械性能，且热处理硬度较高，加工中刀具磨损严重，生产效率受到影响。
2. 传统加工方法及缺点
传统的加工方法是做专用夹具在普通铣床上加工，图3所示为专用铣床夹具，其加工原理是：把零件定位在夹具上并夹紧，手工摇动夹具手柄，带动夹具的丝杠传动，零件的运动有两种，在转动的同时向前移动，套筒上的每一点都在进行螺旋转动。在每个完整的螺旋槽加工过程中，刀具只是固定地转动，不进行坐标移动。
传统加工的缺点为：①质量不稳定。螺旋槽的宽度尺寸取决于刀具的直径，刀具直径不合格或在加工过程中发生磨损会影响槽宽精度尺寸，加工中产生的颤动容易导致表面质量差。采用传统的加工方法，尺寸精度最好只能达到±0.02m m，表面粗糙度值R a＝1.6～3.2μm，要达到最终设计要求，只能采用手工研磨抛光的方法。②刀具磨损严重。由于零件材料为30Cr Mn Si A淬火中碳结构钢，加工中刀具磨损严重，每加工8～12件零件就需更换刀具。由于刀具的直径直接决定了槽宽的尺寸，通用刀具很难达到加工要求，这就需要准备大量的专用刀具，不但刀具制造成本高，而且给管理和库存带来很大的麻烦。③废品率和超差品率高。传统加工的废品率每批次约5 % ～ 8 % ，超差品率 1 2 % 。废品率造成了较大的质量损失，超差品率造成了较高的返工成本，一旦尺寸超差，只能通过钳工抛光的方式进行返工，加工效率低，返工成本高 ， 每返工 1 件需要20m i n，增加了制造成本（小时费用率）。
图3 传统加工专用铣床夹具
3. 毛坯类型和设备选择
薄壁零件具有质量轻 、节约材料和结构凑的优良特 点 。 为了提高材料利用率 ， 零件外形尺寸为f 55mm /f 45.05m m×103m m，毛坯采用管状材料 ， 尺寸为f 58mm /f40mm×105mm，材料利用率约55.6%。设备选择CNC系统为Mazak的四轴联动加工中心FJV-250（见图4），主要是考虑到该机床加工范围较大，内部功能较强，摒弃传统铣床夹具的加工方式，通过一次装夹自动走刀实现三处螺旋槽的加工，此外，该设备还具有如下特点：①加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状比较复杂或难以控制尺寸的零件，如本例中薄壁槽宽（10±0.008）m m 。②能用数学模型描述复杂的曲线零件及三维空间的曲面类零件，如本例中的三处空间螺旋槽的角向尺寸26°±5′。③加精度高，加工质量稳定，尺寸一致性好以及减轻操作者的劳动强度，可以有效避免本例中刀具磨损后的槽返工周期及返工成本。
图4 四轴联动加工中心
4. 模型的建立
齿槽宽三维模型的建立是比较关键的，也是UG编程中比较生僻的环节，对初学编程的人员来说有一定的难度。特别是缠绕曲线和扫掠成形，更是三维模型建立的难点和重点。
（1）螺旋槽宽边界线段的形成和缠绕曲线。坐标原点移至端面截面的最顶点，在XOY平面内沿X 向画一条26°线并派生直线，生成宽度为10mm的两条槽宽边界线段。U G软件插入→来自曲线集的曲线→缠绕/展开曲线。选择曲线：两条槽宽边界线段（见图5上面两条曲线）；选择面：圆柱体外圆柱面；指定平面：X O Y 平面（两线段所在平面），确定并生成两条沿圆柱体的缠绕曲线（见图5下面两条曲线）。
图5 槽宽边界线段的形成和缠绕曲线
（2）螺旋槽轮廓界面的建立及模型的形成。首先，要画出扫掠界面。在端面顶点沿垂直于边界线段构成的平面内画对称矩形界面，矩形的宽度为槽宽1 0 m m ，宽度方向只需保证高出圆柱顶面和低于内孔顶面即可（便于扫掠后进行布尔运算）。其次，UG模型界面中插入/扫掠/扫掠→截面选择曲线：端面界面框；引导线选择曲线：选择一条缠绕线；定位方法：选择另一条曲线/点另一条缠绕线，确定并形成螺旋槽实体轮廓（见图6）。
图6 螺旋槽轮廓界面的建立及模型的形成
（3）阵列螺旋槽轮廓模型并布尔运算形成螺旋槽。首先在端面截面均布阵列三处螺旋槽轮廓模型。用实例几何体指令，类型选择旋转，选择对象：点已生成的缠绕体；指定矢量：－XC（将坐标原点移动到端面中心，沿轴线方向的坐标）；指定点：端面中心点；角度120°、副本数2。布尔运算中的求差方法形成三处螺旋槽，再运用建模、裁剪及布尔运算补全其他部位（见图7）。5. 刀具的选配刀具的选配主要考虑通用化和降成本。①普通A型f4mm钻钻中心孔，目的是为后续刀具进行引导，防止刀具偏移，保证下刀点对整个外圆的对称度。在加工中，刀具刚开始受工件力的影响很大，容易发生偏移，导致钻孔时孔的误差较大，达不到设计要求公差范围或起不到良好的引导作用，用A4中心钻先预打一个小孔或凹槽，钻头的头部沿着此小孔或凹槽钻下去，保证四周受力均匀，减少误差。②普通f 6mm钻头钻孔，目的是在螺旋槽圆柱体外圆的最高点部分钻出一个空间区域，为后续立铣刀粗加工创造出下刀的均匀受力空间区域。③通用立铣刀f 8mm粗铣槽，槽的最终尺寸是10mm，留2mm余量（单边1mm）进行最后精铣。④通用立铣刀f 3mm沿螺旋槽内壁四周走一圈，精加工至最终尺寸。通过引导→钻引导空间区域→粗加工→精加工步骤和精加工中移动轨迹的闭路循环，完全可用通用铣刀代替专用刀具，既降低了成本，也避免了刀具损耗带来的加工和返工困扰。
图7 布尔运算形成螺旋槽并补全其他部位
6. 程序的优化
在保证质量的前提条件下，追求高效率和避免动作浪费是企业生产改善的追求方向，本程序只需建立4个操作即可完成整个螺旋槽的加工。
（1）中心钻引导操作（用钻孔操作“DRILLING”）。这个操作的注意点是：防止中心钻断裂。中心钻一般由高速钢材料制成，钻孔部位直径比较小，实际加工中易折断（数控加工过程中折断是不易被发现的），加工中要加润滑液，利于切屑的排出，保证通畅不被卡住或折断。进给速度150m m/m i n，主轴转速2 500r/min，切削速度200mm/min，逼近速度2 000mm/min，进刀速度1000mm/min，移刀速度3 000mm/min。
（2）钻出引导空间区域操作
（用钻孔操作“DRILLING”）。
本操作很简单 ， 其目的就是在铣刀下刀点钻出一个f 6 mm孔的空间区域 ， 保证铣削 力度均匀 。 进给速度 2 0 mm /min ，主轴转速 2500 r / min ，切削速度 250mm / mi n ， 逼近速度2 000m m/m i n，进刀速度 1000 mm / min 、 移刀速度4000mm/min。
（3）粗加工操作（用型腔铣“CAVITY_MILL”）。加工出整个螺旋槽的外形形状，留少许余量最后成形。主轴转速5 500r/m i n，切削速度1 800m m/m i n，逼近速度3 000mm/min，进刀速度800mm/min，第一刀切削速度800m m/m i n，移刀速度5000m m/min。
（ 4）精加工操作（用平面铣“PLANAR_MILL”）。沿封闭的螺旋槽四周精加工一圈，完成整个螺旋槽的最终形状尺寸要求。主轴转速6000r/min，切削速度2500mm/min，逼近速度3000 mm / min ， 进刀速度 1 200m m/min，第一刀切削速度 1200 mm / min ， 移刀速度 5000mm/min。
程序的编制因个人的编程风格和习惯不同，没有一个标准模式。以上操作中的切削参数不是唯一的，仅供参考。
7. 加工结果
尺寸精度分布区域表
经过多年的加工，零件质量稳定，尺寸参数在规定的公差区间合理分布（见附表），外观质量美观，可靠地解决了薄壁类套筒零件螺旋导程槽的加工和质量问题，为该类零件的加工提供了新的方法和技巧。该类零件无论是军用、民用还是应用于其他领域，都很普遍。
8. 结语
该零件批量大 ， 经多年的加工验证，其尺寸精度、表面粗糙度、几何误差、生产效率和装配性能在传统的基础上都得到很大的提升。对操作者的要求也不高，只需具备金属切削加工基础知识（如刀具材料、切削数据和冷却方式等）和了解CNC数控系统的构成和工作方式（如调试、刀补及程序调用等），即可自行建模、自行编程和自行加工。
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