作為最典型的航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件,其高效加工的實(shí)現(xiàn)一直以來(lái)都倍受關(guān)注。上海航天精密機(jī)械研究所(以下簡(jiǎn)稱800所)在對(duì)一種典型折疊式翼板進(jìn)行高效加工工藝改進(jìn)過(guò)程中,應(yīng)用來(lái)自山高刀具的解決方案,令該零件加工效率提升3倍以上,產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量得到了有效保證。
隨著科技的不斷發(fā)展、國(guó)際形勢(shì)的瞬息萬(wàn)變,來(lái)自于新領(lǐng)域探索及國(guó)土安全的多方需求,目前我國(guó)航天產(chǎn)品已經(jīng)逐漸步入高密度發(fā)射時(shí)期,各類航天產(chǎn)品的制造需求量逐年遞增,迫使航天制造企業(yè)必須大幅提升產(chǎn)能,這其中最重要的途徑就是提升加工效率。
航天典型零件目前最常采用的是高強(qiáng)度鋁合金材料(例如2A12),屬于易切削塑性材料,具有強(qiáng)度和硬度較低,同時(shí)熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性好、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)。但航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件往往因?yàn)閺?fù)雜的形狀結(jié)構(gòu),材料去除量大、薄壁易變形等特點(diǎn),對(duì)零件加工精度、質(zhì)量及加工效率等各方面具有更高的要求。
例如某航天典型薄型多面體零件由多個(gè)角度斜面組成,整體壁厚薄且漸變。該類零件毛坯一般采用預(yù)拉伸鋁板,加工后最薄處僅為2mm,零件材料去除率大于50%。在機(jī)械加工工藝安排上最常采用厚度方向正反面對(duì)稱銑削的方法,均勻去除材料釋放材料內(nèi)部應(yīng)力,以控制零件變形。正是由于該零件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,圓角和斜面很多,導(dǎo)致加工工藝復(fù)雜,刀具軌跡繁瑣,加工效率較低。
圖1 航天典型薄型多面體零件二維示意圖及三維模型
高效加工需進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化
高效加工技術(shù)的特征是加工過(guò)程中的高材料去除率和更短的單件加工時(shí)間,并通過(guò)切削參數(shù)優(yōu)化以保證加工精度和表面質(zhì)量,相對(duì)于普通加工,它對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)有著更高的要求。在航天整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工過(guò)程中,要保證零件加工質(zhì)量和加工精度,提高加工過(guò)程的材料去除率,首先必須針對(duì)由機(jī)床-刀具-工件及其相互間接口(刀柄和夾具)組成的切削加工系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,保證高速切削過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
粗加工的主要目的是去除材料,為精加工留合適的余量,因此粗加工一般不需要考慮工件的尺寸精度問(wèn)題、表面質(zhì)量問(wèn)題以及變形。而在精加工中需要充分考慮裝夾、走刀、工藝參數(shù)對(duì)零件內(nèi)部應(yīng)力的影響,切削時(shí)切削力、切削熱對(duì)零件結(jié)構(gòu)的影響,控制變形,避免由于效率提升引起的變形造成零件精度及表面質(zhì)量破壞。
切削刀具的選擇
選擇更加合理的刀具可以直接提高生產(chǎn)效率。鋁合金材料的切削加工對(duì)刀具材料要求并不高,一般采用硬質(zhì)合金銑刀即可,涂層可使用無(wú)涂層或金剛石涂層。在粗加工中由于不必考慮精度及質(zhì)量問(wèn)題,最大限度高效切除金屬材料,因此可以選擇大直徑刀具,減少走刀次數(shù),縮短走刀時(shí)間。另外,在粗加工中盡量選擇密齒刀具替代疏齒刀具,可以增加每轉(zhuǎn)進(jìn)給量,在相同的轉(zhuǎn)速下切削速度可以得到增加。在精加工中,除了考慮材料高效去除的問(wèn)題,還應(yīng)充分考慮薄壁構(gòu)建在切削中受力變形控制問(wèn)題。航天鋁合金薄壁件精加工宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具(相當(dāng)于我國(guó)原鎢鈷類,主要成分為WC+Co,代號(hào)為YG)。刀具前角不能太小,否則增大了切削變形和摩擦力,前刀面磨損加大,降低刀具使用壽命。
優(yōu)化走刀軌跡
提速增效中一個(gè)較為有效的方法就是優(yōu)化走刀軌跡,在高速切削時(shí)要保證刀位路徑的方向性,即刀具軌跡盡可能簡(jiǎn)化,少轉(zhuǎn)折點(diǎn),路徑盡量平滑,減少急速轉(zhuǎn)向;應(yīng)減少空走刀時(shí)間,盡可能增加切削時(shí)間在整個(gè)工件中的比例;應(yīng)盡量采用回路切削,通過(guò)不中斷切削過(guò)程和刀具路徑,減少刀具的切入和切出次數(shù),獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過(guò)程。
在航天整體結(jié)構(gòu)件的大型復(fù)雜曲面高速切削加工中,曲面曲率變化大時(shí),應(yīng)以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向,如圖2.1所示;曲面曲率變化小時(shí),曲率半徑對(duì)走刀方向的影響減弱,宜選擇單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)的走刀方向,如圖2.2所示。
圖2.1 小曲率半徑曲面的走刀路徑 圖2.2 大曲率半徑的曲面走刀路徑
在斜面加工時(shí),若采用圖3.1所示的橫向水平走刀,每一段走刀距離都很短,在切削過(guò)程中主軸需要頻繁換向,切削穩(wěn)定性差。且由于切削的是斜面,水平走刀需要X或Y軸與Z軸的聯(lián)動(dòng),不利于切削速度的提升。因此,針對(duì)此類斜面加工,走刀軌跡盡量安排為平行于最長(zhǎng)斜邊(如圖3.2),不但走刀軌跡最長(zhǎng)、換向次數(shù)最少,而且單道走刀都只是在XY平面運(yùn)動(dòng)切削,Z軸方向運(yùn)動(dòng)都是安排在工件輪廓之外的位置,即使在高速切削下亦可減小刀具損傷。
圖3.1 橫向水平走刀軌跡 圖3.2 斜向平行走刀軌跡
切削參數(shù)的確定
在粗加工時(shí),一般可選擇大進(jìn)給量與適當(dāng)大的切削深度并配以中等切削速度的"大功率"高效切削,更能達(dá)到高材料切除率,從而極大提高生產(chǎn)效率。而對(duì)于精加工來(lái)說(shuō)只有提高轉(zhuǎn)速和增大齒數(shù)是可行的,而增大每齒進(jìn)給量可能會(huì)降低表面精度,產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形。所以往往通過(guò)高切削速度、低每齒進(jìn)給量的"輕切快切"來(lái)保證生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品的精度及表面質(zhì)量。
切削參數(shù)可通過(guò)切削加工有限元分析和切削加工實(shí)驗(yàn)最終確定。例如,加工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)有限元分析,獲得了最高轉(zhuǎn)速達(dá)24000r/min的機(jī)床主軸若要能夠很好的滿足航天典型鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的高速加工工藝需求,主軸轉(zhuǎn)速選擇范圍為15000r/min~20000r/min,同時(shí)每齒進(jìn)給量和切削深度不應(yīng)過(guò)大,可選擇范圍為0.15~0.25mm/z和3~5mm。
在有限元分析所得參數(shù)可選范圍內(nèi)設(shè)計(jì)切削實(shí)驗(yàn),以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)最終選取最優(yōu)切削參數(shù)。
典型折疊式翼板的工藝改進(jìn)
800所需要對(duì)一種典型折疊式翼板進(jìn)行高效加工工藝改進(jìn)。翼板零件的各個(gè)型面材料去除量占到了整個(gè)零件材料去除量的70%,在加工中時(shí)間占比也非常高,根據(jù)以上改進(jìn)思路,通過(guò)改進(jìn)刀具、優(yōu)化切削參數(shù),要求實(shí)現(xiàn)提升型面加工效率,同時(shí)大幅縮短翼板類零件制造時(shí)間。
圖4 零部件局部,各個(gè)型面材料去除量非常之大
根據(jù)該零件多角度斜面、圓弧面過(guò)渡、高精度孔槽特點(diǎn),選用DMG高精五軸加工中心作為加工設(shè)備。同時(shí),設(shè)計(jì)制造了專用液壓可調(diào)工裝,以一臺(tái)液壓動(dòng)力單元為專用液壓工裝提供動(dòng)力源,油液通過(guò)管道進(jìn)入工裝主體內(nèi)部液壓缸,以控制夾持原件的夾緊和松弛運(yùn)動(dòng)。
改進(jìn)后采用山高刀具 (Seco Tools) 的R220.69-0050-10-5Aφ50鑲片式立銑刀頭搭配XOEX10T304FR-E05,H15刀片完成各型面的粗加工。鑲片式銑刀較之前所用的整體式銑刀擁有剛性好、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn),此次選用的φ50鑲片式立銑刀,尤其適用于方肩銑,鑲嵌刀片長(zhǎng)度為10mm,最大切深可達(dá)9mm,一把刀可同時(shí)完成翼板零件各個(gè)端面以及側(cè)面的加工。為了提升加工效率,走刀時(shí)幾乎采用滿切寬進(jìn)行切削,每齒進(jìn)給fz約為0.05mm/tooth,進(jìn)給速度約為900m/min。
圖5 山高刀具 φ50鑲片銑刀刀盤(pán)及刀片
在翼板零件型面精加工過(guò)程中,由于零件側(cè)壁較高,必須選擇懸伸較長(zhǎng)的刀具進(jìn)行切削,因此對(duì)刀具的剛性提出了更高的要求。800所選用了山高刀具 (Seco Tools) φ20 整體硬質(zhì)合金立銑刀,搭配熱縮夾持刀柄,進(jìn)一步提升了切削剛性,如圖6所示。
圖6 熱縮刀柄夾持的山高刀具 φ20整體硬質(zhì)合金立銑刀
經(jīng)過(guò)對(duì)翼板零件型面的粗精加工高效改進(jìn),該零件加工效率提升3倍以上,產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量得到有效保證,改進(jìn)前后加工出的型面表面形貌如圖7所示。另外,在精加工高速切削時(shí),金屬材料被迅速切斷并脫離工件表面,因此加工出零件周邊毛刺明顯減少,后續(xù)鉗工挫修工作量大幅減少,進(jìn)一步縮短零件整體加工時(shí)間。
a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后
圖7 改進(jìn)前后加工出的型面表面形貌
上海航天精密機(jī)械研究所
中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第八研究院第800 研究所,又名上海航天精密機(jī)械研究所,是上海航天局的導(dǎo)彈總裝單位。
第800 研究所系以工藝制造為主的研究所,涉及專業(yè)30 余個(gè),擁有各類先進(jìn)的制造和檢測(cè)技術(shù),設(shè)備及儀器儀表。研制和批產(chǎn)的型號(hào)產(chǎn)品有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭、航天器等。主要承擔(dān)防空導(dǎo)彈總裝總測(cè)、結(jié)構(gòu)件加工、強(qiáng)度和環(huán)境試驗(yàn)以及運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)任務(wù)。在導(dǎo)彈總裝綜測(cè)、強(qiáng)度和環(huán)境試驗(yàn)、精密機(jī)械加工、鎂合金鑄造、鋁合金和不銹鋼薄板焊接、無(wú)損檢測(cè)等方面具有較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。