薄壁圆形零件的工艺分析及编程加工

2020-03-22晋康

机械工程与自动化 2020年1期

晋康

（山西机电职业技术学院，山西长治 046000）

0 引言

合理地安排加工工序对零件的加工质量有着至关重要的影响，有效合理的工序不仅在保证零件加工质量的基础上所用时间最短，更是突破零件加工难点的关键所在［1－2］。本文给定的薄壁圆形零件由于材料及结构限制，当加工圆柱面上具有复杂轮廓的前后通孔时因为变形导致零件报废，且特殊的密封槽结构难以通过常规手段进行加工。针对这一问题，通过对原有加工工艺的认真分析，重新制定了合理的加工工艺，优质高效地完成了零件的加工。

1 薄壁圆形零件的工艺分析及工装设计

薄壁圆形零件的结构如图1所示。零件材料为铝合金，毛坯尺寸为Φ42mm×42mm。图1中未注尺寸公差控制在±0.05mm以内，且加工完成后表面要求光滑平整无毛刺。

图1 零件图

分析零件图纸及要求可以发现，该圆柱形薄壁零件的结构特点如下：

（1）零件加工精度要求高，多处尺寸要求控制在一定的公差范围内。

（2）零件属于薄壁零件，刚性差，加工过程中变形大，难以保证形位公差与加工质量。

（3）零件下部结构复杂，与上部圆同轴度要求较高，需设计特殊工装防止多次装夹带来的同轴度误差。

（4）圆柱面内侧密封槽结构特殊，需采用多轴联动方式进行加工。

综合以上零件结构特点，采用五轴机床对其进行加工。首先采用常规三轴加工策略完成粗加工及规则特征的加工，最后采用五轴曲线的加工方式完成密封槽这一特殊结构的加工［3］。零件的工装需加工者自行设计，工装夹具为四方凸台结构，在凸台中心分步加工出4个螺纹孔，同时在零件毛坯上沿中心加工出4个螺纹孔，通过螺栓将零件毛坯固定在工装上完成装夹［4］。

2 薄壁圆形零件的加工工艺研究

2.1 零件各表面加工方案

零件使用铝合金材料，采用圆柱形实心毛坯，数控加工工艺按粗加工、半精加工、精加工顺序进行编排。粗加工使用尺寸较大刀具快速去除余量加工出零件大致形状，半精加工使用较小直径刀具去除剩余余量，剩余适当余量在精加工阶段完成去除。精加工根据零件结构特征采用不同刀具及工艺分区域加工，以保证加工表面质量［5］。薄壁圆形零件加工工艺过程如表1所示。

表1 薄壁圆柱零件加工工艺过程

2.2 零件子工艺分析及数控编程

在对零件加工刀路编制前，需要将零件及夹具的造型文件导入到编程软件中，同时选择加工使用的机床型号、刀具，完成夹具及工件位置的正确摆放，以便完成刀路编制工作后使用软件模拟加工过程，防止加工过程中有过切、碰撞等事故的发生［6］。

2.2.1 圆柱面顶面加工

零件毛坯安装完成后，首先对顶面进行粗、精加工，以保证零件顶面的加工质量，其目的在于加工出精基准，在反面加工时控制零件高度在公差要求范围内。粗、精加工使用同一把Φ6平底刀按不同切削参数完成。粗加工转速为10 000r／min，进给速度为3 000 mm／min；精加工转速为12 000r／min，进给速度为1 000mm／min。加工过程中开启切削液，以降低被加工表面粗糙度。图2为零件顶面光整加工刀路。

图2 零件顶面光整加工刀路

2.2.2 零件外轮廓加工

为满足零件侧面粗糙度及加工质量的要求，需要利用平底刀分两次对侧面进行加工。第一次控制加工深度为每层0.5mm，下刀角度为1°，侧壁剩余余量为0.15 mm，粗加工转速为10 000r／min，进给速度为3 000 mm／min；精加工时控制加工深度为每层2mm，下刀角度为2°，为避免进退刀时在加工表面上留下刀痕，应设置进退刀角度，精加工转速为12 000r／min，进给速度为1 000mm／min。图3为零件外轮廓加工刀路。

2.2.3 顶部曲面加工

为保证曲面的加工质量，需要使用球头刀分3次进行曲面精加工。首次曲面精加工采用Φ2球头刀对加工域进行加工，为提高加工效率，路径间距为0.1mm，加工面剩余余量为0.1mm［7］，精加工转速为12 000 r／min，进给速度为2 000mm／min；第二次曲面精加工减小路径间距至0.05mm，将余量进一步加工至0.05 mm；最后一次曲面精加工调低路径间距为0.01mm，将曲面加工至要求尺寸，加工参数为转速12 000r／min、进给速度1 000mm／min。图4为零件顶部曲面轮廓加工刀路。

图3 零件外轮廓加工刀路

图4 零件顶部曲面轮廓加工刀路

2.2.4 底部圆柱面加工

由于零件底部结构外径较顶部结构小，采用常规的三轴加工刀路无法完成加工，故使用四轴旋转加工方式对底部结构进行加工，以保证零件上、下圆柱结构的同轴度。首先利用Φ3平底刀对多余余量进行分层粗加工，快速加工出基本轮廓，控制加工面侧壁与底部余量为0.1mm，加工参数为转速10 000r／min、进给速度2 000mm／min；第二步使用旋转精加工命令，利用Φ2球头刀去除剩余余量，路径间距设置为0.05mm，加工参数为转速10 000r／min、进给速度1 000mm／min。底部圆柱面四轴旋转加工刀路如图5所示。

2.2.5 密封槽加工

密封槽是位于零件内圆柱面上的槽，采用三轴及四轴刀路无法完成此结构的加工，只能利用五轴曲线加工方式完成此特征结构的加工［8］。为将密封槽加工至要求尺寸，加工过程分两步进行，首先利用Φ1.5球头刀进行密封槽开粗，此刀路不设置加工余量，只利用刀具外形控制密封槽轮廓尺寸；第二步利用Φ2球头刀使用五轴曲线加工将密封槽加工至要求尺寸，加工参数为转速12 000r／min、进给速度1 000mm／min。密封槽五轴曲线加工刀路如图6所示。