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典型薄壁盘类零件的工艺方案及数控加工过程

2013-5-14 来源：作者：

1.数控加工的工艺分析

　　(1)零件的结构特点该零件材料为硬铝LY12，其切削性能良好，属于典型的薄壁盘类结构，外形尺寸较大，周边及内部筋的厚度仅为2mm，型腔深度为27mm。该零件在加工过程中如果工艺方案或加工参数设置不当，极易变形，造成尺寸超差，零件结构如图1所示。

图1

　　(2)工艺分析该零件毛坯选用棒料，采用粗加工、精加工的工艺方案，具体工艺流程如下：毛坯→粗车→粗铣→时效→精车→精铣。

　　粗车：分别在外圆及端面预留1.5mm精加工余量，并预钻中心孔。

　　粗铣：分别在型腔侧面及底面预留余量1.5mm，并在φ12mm孔位处预钻工艺孔。

　　时效：去除材料及加工应力。

　　精车：精车端面、外圆并镗工艺孔φ6mm，要求一次装夹完成，以便保证同轴度，为后序加工打好基础。

　　精铣：保证零件的最终要求，是本文论述的重点。

　　①粗铣型腔粗加工主要是去除大余量，并为后序精加工打好基础，所以加工型腔时，选择低成本的普通数控铣床加工。该工序要求按所示零件结构图加工出内形轮廓，圆弧拐角为R5mm，所留精加工余量均匀，为1.5mm。而且本道工序还需要在φ12mm孔位处预先加工精加工所需的定位孔。

　　②精铣型腔高速加工技术是近年应用起来的制造技术。在高速切削加工中，由于切削力小，可减小零件的加工变形，比较适合于薄壁件，而且切屑在较短时间内被切除，绝大部分切削热被切屑带走，工件的热变形小，有利于保证零件的尺寸、形状精度;高速加工可以获得较高的表面质量，加工周期也大大缩短，所以结合该类薄壁盘类零件的特点，精加工型腔时选用高速加工。

　　③定位孔的加工该零件精加工选用中心孔φ6mm及φ12mm孔作为定位孔，所以精加工型腔前必须先将其加工到位。中心孔φ6mm在车工精车外圆φ301.5mm时将其镗削为φ6H8;φ12mm孔由数控铣床钻、铰至φ12H8。

　　(3)精加工型腔时零件的定位与装夹为了使工件在机床上能迅速、正确装夹，而且在加工一批工件时不必逐个找正，所以此次加工采用一面两销的定位方式。以零件上已经存在的φ6mm及φ12mm孔作为定位孔，做简易工装，该工装采用一个圆柱销和一个扁形销作为定位元件。由于该零件属于薄壁件，容易变形，在夹紧工件时，压板应压在工件刚性较好的部位，分布尽可能均匀，以保证夹紧的可靠性，而且夹紧力的大小应适当，以防破坏工件的定位或使工件产生不允许的变形。其具体定位与装夹示意图见图2。此装夹方式完全符合加工中心的特点，一次装夹可以完成型腔及所有孔的加工。

图2

　　2.加工型腔的数控加工程序总方案

　　(1)编程软件该零件的数控加工程序是基于软件MasterCAM生成的。该软件无须画出实体，只需按1：1正确画出要加工的轮廓线，选择适当的图形和参数即可生成用于加工的程序。

　　(2)设备的选择精加工型腔选用加工中心设备：德国HERMLE(悍马)C1200U，该设备的操作系统是HEIDENHIN(海德汉)，其性能指标为：主轴最高转速18000r/mm，快速移动30000mm/min，行程1200mm×1000mm×800mm，响应灵敏，适合高速加工。该零件以前曾选用其他加工中心设备进行加工，但因为壁薄，筋厚度仅为2mm，型腔深，为27mm，为防止零件变形，只能选用小规格刀具，较小的加工速度，并进行多次时效，加工周期很长，所以此次加工选用了适合高速加工的数控设备。

　　(3)刀具的选择根据零件材料，选择国产的镶齿硬质合金立铣刀，双刃，大螺旋角，刃前空间大，耐磨，成本低。经过实践发现该刀具非常适合铝材的高速加工。对具体的参数选择，需要在实际切削中摸索，发现合适速度，当然还要参考厂家的资料。

　　3.加工中心精铣削过程

　　该型腔的铣削加工分两步进行，分别为底面和侧面加工，先底面，后侧面。数控程序的中心设在工件外圆圆心，安全高度在零件表面上方50mm处。

　　(1)底面加工刀具规格：选用φ14mm的立铣刀。下刀方式：采用螺旋下刀，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷。

　　走刀方式：选用Pocket—Parallel，Spiral，clean Cor-ners(平行环绕并清角)方式，从内到外，三个型腔分别加工，可以减少提刀，提升铣削效率。

　　加工时按顺铣方式，将底面1.5mm的加工余量分两次完成，第一刀背吃刀量1.4mm，刀路重叠50%，转速8000r/min，进给速度1400mm/min;精加工时，背吃刀量0.1mm，转速升至12000r/min，进给不变，底面的表面质量非常好。其刀路轨迹如图3所示，由里向外逐步扩展，与外形相似，刀路平顺、柔和，尽量减少剧烈变化，以免引起机床振动。注意：精加工底面时，给侧面预留了3mm余量，以免铣到侧面时吃刀量增大。

图3

　　(2)侧面加工刀具规格：为防止在拐角处走刀路径突然改变而导致冲击力太大，所以高速加工时应尽量避免选用与拐角半径一致的刀具，此次选用φ8mm的立铣刀(拐角为R5mm)。装刀时，刀具尽可能缩短伸出长度，以保证高速加工时的刀具强度。进、退刀方式：以圆弧方式接近、离开工件，可以避免突然接触工件时产生的接刀痕，保证零件的表面质量。

　　走刀方式：选用Contour(外形铣削)方式。加工时，按Z轴分层并以顺铣的方式进行，转速10000r/min，进给速度1000mm/min，三个型腔同时逐层向下铣，每次背吃刀量为2mm。注意：不可一个型腔铣削后再铣削下一个型腔。因为，当第一个型腔加工完后，内部筋的壁厚只剩3.5mm，而加工下一个型腔时，内部筋的切削量将是1.5mm，这会导致局部支撑力变小，工件容易受切削力的影响而变形;若三个型腔同时逐层向下铣削时，筋的壁厚是5mm，相对而言支撑力要大得多。加工的刀路轨迹如图4所示。