Powermill針對(duì)異形航空管件的五軸編程與Vortex實(shí)際加工

鮑磊 余雁波

摘 要：提到異形航空管件，對(duì)于傳統(tǒng)3軸、4軸加工中心做起來比較費(fèi)勁，某些特殊的復(fù)雜特征基本上無法加工到位；傳統(tǒng)方法是用精鑄的方式，鑄出復(fù)雜外形特征，再對(duì)局部一些有配合要求特征區(qū)域進(jìn)行局部加工，對(duì)于完成后的產(chǎn)品來說，具有很好的剛性強(qiáng)度，避免了鑄造過程中出現(xiàn)微小氣孔，以及鑄造后表面光潔度低下的情況，整體加工出來的管體內(nèi)部光潔度比較高，運(yùn)用在需要過氣過液的場(chǎng)合時(shí)效果是精鑄工藝無法比擬的。

關(guān)鍵詞：異形航空管件；復(fù)雜外形特征；精鑄；一體加工

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0005-03

Abstract： In view of the special-shaped aeronautical pipe fittings， it is quite difficult to make in the traditional 3-axis and 4-axis machining centers， and some special complex features are basically unable to be machined as required. The traditional method is to cast the complex shape features by means of precise casting； for the finished products， it has a good rigidity strength and avoids the appearance of tiny pores in the casting process and the low surface finish after casting. The finish of the inner part of the tube processed as a whole is relatively high， and the effect is incomparable to that of the precision casting process when it is used in the occasion when passing gas and liquid is needed.

Keywords： special-shaped aviation pipe fittings； complex shape features； precise casting； integrated processing

1 加工難點(diǎn)及現(xiàn)有設(shè)備情況

本論文以此產(chǎn)品作為加工對(duì)象，主要描述運(yùn)用 Powermill 軟件對(duì)該異形航空管件的一個(gè)加工實(shí)例，此航空管件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部管壁空間多處轉(zhuǎn)折，遮擋嚴(yán)重，壁厚只有 3mm，屬于薄壁零件，極易產(chǎn)生變形，選用的材料是 7075 鋁合金棒料，直徑為 Φ160X148mm，采用本單位奧地利 EMCO LM600五軸聯(lián)動(dòng)加工中心兩次裝夾完成，LM600 五軸加工中心弊端在于直徑600mm的工作臺(tái)，配的主軸頭過大，在A軸擺-90°開粗過程中，主軸頭后橫梁部位和工作臺(tái)非常容易發(fā)生碰撞干涉，該零件裝夾方案選擇非常關(guān)鍵，如果運(yùn)用傳統(tǒng)平口虎鉗或是三爪卡盤裝夾，對(duì)于該零件加工比較困難，發(fā)生干涉碰撞的地方非常多。

2 五軸加工特點(diǎn)及夾具重要性

大多數(shù)人認(rèn)為五軸機(jī)加工范圍非常大，只需一次裝夾。除了裝夾面，其他任何空間特征都可以加工出來，其實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，五軸加工中心根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分出很多種類， 就拿常見的搖籃式AC結(jié)構(gòu)來說，其實(shí)加工范圍并不大，一旦五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，空間干涉性非常大，要么某些特征需要擺負(fù)角度時(shí)容易發(fā)生碰撞，換了加長刀柄避免了擺負(fù)角度但有可能又發(fā)生超程現(xiàn)象，這種魚和熊掌不可兼得的情況隨時(shí)發(fā)生，所以夾具設(shè)計(jì)與運(yùn)用是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。曾經(jīng)有位大師說過：“加工中心上最難的地方就在于如何把工件裝夾上去，至于編程隨便怎么編都可以把工件做出來”，這句話非常經(jīng)典。

3 燕尾槽模塊化夾具設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

本人做了一套在五軸加工中干涉比較小的燕尾槽快換模塊化夾具，該夾具第一部分為法蘭盤基礎(chǔ)板，第二部分為可拆卸的燕尾槽夾緊快換模塊組成；類似德國LANG牌夾具的原理，第二部分可以根據(jù)所加工工件不同種類設(shè)計(jì)快換模塊化夾具，安裝在基礎(chǔ)板上使用，非常方便；該夾具的特點(diǎn)：（1）模塊化方便快換；（2）加工范圍大減少空間遮擋干涉，提高機(jī)床加工范圍，使機(jī)床可以擺某些極限負(fù)角度加工；（3）減少使用長刀柄現(xiàn)象，提高加工剛性，防止震動(dòng)；（4）經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約工件材料成本，相對(duì)傳統(tǒng)夾具，工藝臺(tái)留下的料頭少，只有4mm的燕尾帶，方便后續(xù)去除工藝臺(tái)。

該夾具實(shí)際應(yīng)用情況：

首先把 Φ160X148棒料壓在工作臺(tái)上，A軸擺-90°起來，加工一條寬34mm深4mm的燕尾帶作為裝夾在燕尾快換模塊夾具上的工藝臺(tái)使用，燕尾槽夾緊方案加工過程中，能夠保證足夠的剛性及夾持力度，并且留下的工藝臺(tái)料頭非常小，方便后續(xù)去除工藝臺(tái)，經(jīng)過實(shí)際切削，開粗飛面時(shí)用Φ53的4齒飛刀盤以S2600，F(xiàn)1400、ap=2mm、ae=25mm的參數(shù)切削起來比較輕快，并未產(chǎn)生震動(dòng)現(xiàn)象，毛坯始終和夾具緊固結(jié)合在一起，沒有出現(xiàn)毛坯被銑動(dòng)的現(xiàn)象，可見燕尾夾緊方式是非常牢固的。

4 第一次裝夾加工過程

4.1 Vortex旋風(fēng)銑動(dòng)態(tài)開粗

所有毛坯用飛刀盤把多余殘料銑出平面后，運(yùn)用Φ16 的3齒立銑刀對(duì)周身進(jìn)行開粗去余量，在此要提到的是，本人用Φ16立銑刀開粗時(shí)，用了高性能Vortex旋風(fēng)銑動(dòng)態(tài)開粗，切深20mm、切寬3mm，進(jìn)給 3200，整個(gè)過程基本保證刀具純側(cè)刃切削，切削輕快效率非常高，對(duì)刀具磨損很小，切屑成長條針狀飛出，不像傳統(tǒng)分層開粗那樣產(chǎn)生碎狀切屑，對(duì)刀尖起到良好保護(hù)作用。

4.2 管道內(nèi)部特征加工分析

對(duì)于管道內(nèi)部加工必須要在第一次裝夾過程中全部完成，粗加工時(shí)本人不建議運(yùn)用PM中現(xiàn)成的管道專用策略模塊進(jìn)行開粗，現(xiàn)成的管道粗加工模塊雖然方便，屬于傻瓜式編程，只需你填好參數(shù)，刀路完全自動(dòng)幫你計(jì)算出來；但要注意的是，管道專用開粗模塊里的刀具，只允許使用球頭刀或是糖果銑刀，大家都知道，運(yùn)用球頭刀開粗時(shí)效率是比較低下的，本身球頭刀切削過程中阻力就比較大，從而限制了行距不能給大，下切步距更不可能給深，否則刀具就會(huì)折斷；而且該策略中刀軸控制是自動(dòng)的，也就是不受人為控制，加工時(shí)機(jī)床隨時(shí)處于五軸聯(lián)動(dòng)加工狀態(tài)，對(duì)于旁觀者感觀上看起來，機(jī)床切削過程中隨時(shí)扭來扭去，動(dòng)作比較漂亮，比較炫技，但是對(duì)于加工效率來說非常低下，而且粗加工時(shí)管道內(nèi)部余量比較多，聯(lián)動(dòng)開粗用到的還是球頭刀，切削量不可能很大，機(jī)床隨時(shí)處于聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于剛性也比較差。

4.3 管道內(nèi)部定軸開粗

所以本人在編制開粗程序時(shí)并沒有使用模塊化策略，還是選用定軸方式進(jìn)行開粗，選用殘留模型粗加工方式，在機(jī)床A軸能擺的極限角度內(nèi)定軸擺不同角度進(jìn)行開粗，孔內(nèi)后續(xù)的開粗過程不太劃算運(yùn)用Voretex動(dòng)態(tài)開粗，因?yàn)楹罄m(xù)余量比較小，而且孔壁陡峭區(qū)域特征比較多還是選用分層開粗要來的直接一點(diǎn)，刀路提刀會(huì)相對(duì)少得多。該產(chǎn)品最難加工的區(qū)域在于大管口彎折的區(qū)域，那里運(yùn)用立銑刀（注：不用T型刀情況下）不論再擺什么角度，留下的殘留余量是最大的。

另外要強(qiáng)調(diào)的是管道專用開粗策略，不是不建議用，能不用盡量不用，但對(duì)于像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)部那些彎管區(qū)域而言，無論你再如何擺不同角度，有些遮擋嚴(yán)重的地方，定軸開粗是不可能加工到位的，可以先用定軸方式把基本上能加工到的管道區(qū)域加工完，剩下殘留的那些遮擋嚴(yán)重區(qū)域再選用管道專用開粗策略進(jìn)行加工，這樣效率會(huì)高得多。

4.4 管道內(nèi)部五軸精加工

管道內(nèi)部半精加工和精加工工序，用了Φ10的糖果銑刀配和熱脹刀柄加工，為了獲得更好的表面加工質(zhì)量，最理想的刀路是能夠順著管壁連續(xù)不斷的螺旋加工，這時(shí)候需要五軸聯(lián)動(dòng)切削，所以可以選用管道專用精加工策略——管道螺旋精加工，對(duì)于搖籃式AC結(jié)構(gòu)的五軸關(guān)鍵不能讓機(jī)床A軸超行程，需要根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況對(duì)A軸進(jìn)行限制，否則容易發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。

4.5 第一次裝夾實(shí)際加工效果

實(shí)際精加工中留的余量合適，五軸聯(lián)動(dòng)切削過程較平穩(wěn)，加工出來內(nèi)壁表面光潔度很好。管道外部開粗后需要留下多一點(diǎn)余量給二次裝夾工序進(jìn)行后續(xù)加工，留太少余量會(huì)存在后續(xù)加工過程中，精加工無法加工出來的風(fēng)險(xiǎn)，本人曾經(jīng)在做某個(gè)曲面較多的零件時(shí)就發(fā)生過因?yàn)橹苌碇涣袅?.2～0.3mm余量，精加工后，工件表面出現(xiàn)大量開粗后的臺(tái)階型痕跡，這個(gè)根二次裝夾所用到的夾具精確度有著必然關(guān)系。

5 第二次裝夾加工過程

5.1 工藝及裝夾方案的選擇

第二次裝夾主要完成的是管體外部特征加工，首要問題解決的還是裝夾問題，工件在上一道工序中已經(jīng)把管道內(nèi)部和各管口外徑及端面結(jié)合部位加工到位，管道外形曲面較多，壁厚較薄，想要靠外形定位裝夾必然存在受力及與外形曲面特征貼合的情況，顯然這種方案不太理想；所以考慮以管道底孔內(nèi)壁與其端面結(jié)合的特征進(jìn)行定位裝夾是比較合理的，這樣需要一個(gè)從內(nèi)側(cè)進(jìn)行膨脹撐開，從內(nèi)部抱緊底孔內(nèi)壁的專用夾具，此夾具同樣做成模塊化快拆型，可以與法蘭盤基礎(chǔ)板相結(jié)合。（注意：為了提高裝夾精度，內(nèi)撐夾具底座中間的滑塊定位槽和端面、徑向特征最好專配在基礎(chǔ)板上配著銑出來）。

5.2 外壁粗加工

這道工序主要加工外形，首先對(duì)外形剩下的殘留余量進(jìn)行開粗——二粗——半精加工，最后進(jìn)行聯(lián)動(dòng)精加工；實(shí)際切削下來，二次裝夾用到的這個(gè)內(nèi)撐夾具，夾緊力度可靠，能夠保證較高裝夾精度，至于二次裝夾對(duì)刀這個(gè)問題，可以設(shè)在夾具上，也可以設(shè)在工件上的某個(gè)特征，根據(jù)個(gè)人習(xí)慣合理選擇。

5.3 管道外壁精加工

精加工過程中，在加工大管口外壁時(shí)，最理想的刀路是順著大管壁外部螺旋繞著加工，但因?yàn)閾u籃式AC結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床的特點(diǎn)，A軸只有正負(fù)120°的擺動(dòng)范圍，圖中管口彎曲位置倒扣特征，導(dǎo)致A軸不允許擺太大負(fù)角度，還沒擺到極限位置主軸頭和工作臺(tái)就發(fā)生了很大的干涉問題，所以只能拆分成前后兩半?yún)^(qū)域進(jìn)行聯(lián)動(dòng)編程，不過最終加工出來接刀效果還不錯(cuò)。

6 結(jié)束語

此航空管件最終加工完成后壁厚為3mm，加工過程主要闡述了工件的裝夾工藝問題，及Powermill軟件方便的五軸編程策略，安全的碰撞過切檢查功能，完成后的產(chǎn)品表面光潔度比較好，根軟件內(nèi)部刀路算法及強(qiáng)大的點(diǎn)分布功能息息相關(guān)，本人能力有限，描述過程中若有不足之處方還請(qǐng)各位多多指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]叢娟，叢樹林.基于數(shù)控仿真軟件的數(shù)控加工工藝與編程課程改革[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2011（3）.

[2]王丹，陳存銀.數(shù)控仿真軟件在數(shù)控編程與加工項(xiàng)目化教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2014（2）.

[3]董獻(xiàn)坤.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：62-99.

[4]陳蔚芳，王宏濤.機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用（第三版）[M].北京：科學(xué)出版社，2016：1-12.

[5]龔仲華.數(shù)控技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：32-47.

[6]張永康.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：25-44.