曹 岩 白 瑀 何永强 李云龙

(①西安工业大学机电工程学院,陕西西安 710032;②西安交通大学机械工程学院,陕西西安 710049)

近年来,加工变形补偿技术已经得到国内外学者的广泛关注。由于其加工过程本身的复杂性,还有大量的工作有待进一步展开[1-2]。论文针对薄壁结构工件的加工变形进行试验研究与误差分析,以铝合金材料LY12CZ(热轧板GB3193-82)方形直侧壁工件变形进行研究及试验验证。通过正交试验,研究薄壁件铣削精加工过程中各个切削用量对变形的影响,为提高生产率和进一步控制加工变形提供了依据,对薄壁件精加工选取工艺和工艺参数,提高加工精度具有重要的意义。

1 铣削试验方案

1.1 试验设备、刀具和工件材料

试验的加工条件如下:

(1)刀具 材料为高速钢W18Cr4V的φ4三刃立铣刀;

(2)工件材料 铝合金LY12CZ(热轧板GB3193-82),σb为 510 N/mm2,σ0.2=373 N/mm2,布氏硬度130 HB。薄壁长为40 mm,宽为4 mm,高为12.5 mm,底板为40 mm×40 mm;

(3)试验设备 THA5656立式加工中心,铣削方式为逆铣。THA5656立式加工中心采用日本FANUC-0MC数控系统,由CNC微型计算机控制,具备四轴四联动功能;

(4)铣削参数 v为铣削速度;ap为铣削深度;ae为铣削宽度;d0为铣刀直径;f为进给量[3]。

1.2 正交试验方案的确定

针对不同铣削用量情况下,进行铣削加工和工件变形量检测。本文主要涉及4个切削参数(主轴转速、轴向切削深度、径向切削宽度和进给速率),属于多因素试验范畴。

采用四因素回归正交试验法[4]确定主轴转速、轴向切削深度、径向切削宽度、以及每齿进给量等切削参数后,制定四因素三水平的正交试验因素水平表如1所示。

表1 四因素三水平表

试验选取正交表L9(34)安排试验,L表示正交表的代号,9表示正交表的横行数,3表示字码数(因素的水平数),4表示正交表的纵列数(最多允许安排因素的个数)。各试验具体参数如表2所示。

表2 各试验具体参数

2 铣削试验及结果分析

2.1 铣削试验

根据上述试验方案,加工至工件壁厚1 mm,并进行多次空走刀保证工件形状精度,如图1所示。

精加工试验条件表2所示。选取侧壁尺寸为:长L=40 mm,高H=10 mm,厚度W=1 mm,选用刀具为 φ4 mm三刃立铣刀,悬伸长度为14 mm,螺旋角30°。试验结束后通过测量工件表面各点的坐标,可以得到工件表面的实际位置。

为研究薄壁加工变形规律,表格数据为切削完成后,未拆卸装夹时,用千分表在加工表面上 x1=10 mm,x2=20 mm和x3=30 mm三处轴线位置由上至下测量的变形数据,为此可以做表面变形图。各测量点之间间距为1 mm,如图2所示。

2.2 试验结果及分析

试验号3、5、7的试验数据和表格如下所示。

在试验3(刀具转速为2000 r/min,进给速率200 mm/min,铣削深度为10 mm,径向切深0.1 mm)条件下,试验结果如表3和图3所示,工件变形范围在-0.024～0.001 mm之间。工件变形最大点出现在X2(工件中间)和Z向测量点2处。

表3 试验3测量点与被测变形(测量点间距均为1 mm)

在试验5(刀具转速为2500 r/min,进给速率150 mm/min,铣削深度为10mm,径向切深0.3 mm)条件下,试验结果如表4和图4所示,工件变形范围在-0.045～0 mm。工件变形最大点出现在X2(工件中间)和Z向测量点1处。

表4 试验5测量点与被测变形(测量点间距均为1 mm)

在试验7(当刀具转速为3000 r/min,进给速率100 mm/min,铣削深度为10 mm,径向切深0.2 mm)条件下,试验结果如表5和图5所示,工件变形范围在-0.028～0 mm。工件变形最大点出现在X2(工件中间)和Z向测量点2处。

从上述结果可以看出,在工件下端,三个位置变形相差不大,而上端差别较大,这是因为对于每个位置处随着切削的进行,一部分材料被去除,工件上端刚性急剧减小,导致变形增大,而下端刚性相对较为稳定。工件壁的上部产生的变形较大,而工件的底部由于试验时采取整体铣削,并用组合夹具进行装夹,在加工中变形很小。

表5 试验7测量点与被测变形(测量点间距均为1 mm)

3 结语

针对不同的铣削用量采取正交试验方法,对铝合金LY12CZ工件进行铣削试验和变形量分析,研究薄壁件铣削精加工过程中各个切削用量对变形的影响,为提高生产率和进一步控制加工变形提供了依据。为了对薄壁件铣削时受力变形的规律进行研究,需要大量的数据,这些数据完全靠试验来获得成本太高,所以应该采用切削试验与加工过程计算机仿真相结合的方法。本文的研究为验证加工过程计算机仿真模型奠定了基础。

[1]曹岩.K192预拉伸板加工参数及应力分析科学总结报告.西安:西安交通大学,2003.

[2]郑联语,汪叔淳.薄壁零件数控加工工艺质量改进方法[J].航空学报,2001,22:424-280.

[3]孟少农.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社,1991.

[4]何永强.薄壁件数控铣削加工切削力及变形误差分析:[硕士学位论文].西安:西安工业大学,2008.