機匣類零件數(shù)控磨拋加工技術研究

孫玉民 康靖宇 宋亮鵬 趙世鵬

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

目前，機匣類零件在數(shù)控機床上加工后會產(chǎn)生較多的飛邊毛刺，機加產(chǎn)生的毛刺是指零部件在加工過程中所派生出多余的部分，這些多出的部分可以統(tǒng)稱為毛刺，產(chǎn)生過程包括車、銑、鉆以及鉸等多種加工方法[1]。部分飛邊毛刺無法在數(shù)控機床上使用正反倒角刀、倒圓刀、球銑刀等刀具進行加工去除，需要由打磨鉗工進行手動磨拋。隨著生產(chǎn)任務的增加，打磨鉗工的工作量逐漸累積，且手動磨拋的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，存在加工遺漏的問題。

該研究通過尋找并試驗數(shù)控磨拋加工方法，完成對特殊位置飛邊毛刺的數(shù)控去除，減少了打磨鉗工的工作量，提高了磨拋加工的質(zhì)量穩(wěn)定性，為自動化加工進行拓展及技術儲備。

1 機匣類零件概述

機匣類零件通常存在多種類型的加工特征，例如凸臺、型腔、深槽以及型面等，這些特征的加工過程中材料去除量大，加工后會殘留大量的飛邊毛刺，如圖1所示，手動去除困難；同時加工過程中存在較多的鉗工拋修工序，這些工序全部由鉗工操作者進行手動加工，大量的人為干預導致批生產(chǎn)零件的表面質(zhì)量及制造符合性一直得不到穩(wěn)定的控制，零件修磨返工率高，表面粗糙度一般為Ra12.5～Ra6.3，無法滿足大批量生產(chǎn)的需求。

圖1 機加后殘留飛邊毛刺示意圖

該研究通過對數(shù)控磨拋方法的研究及應用，實現(xiàn)機匣類零件大部分共性特征鉗工打磨內(nèi)容的數(shù)控加工轉(zhuǎn)產(chǎn)，用數(shù)控拋光打磨加工技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉗工打磨，提高了零件質(zhì)量穩(wěn)定性及制造符合性，以滿足生產(chǎn)過程自動化要求。

2 難點分析

目前現(xiàn)場打磨去毛刺工作大部分由鉗加工操作者手動去除，缺少數(shù)控磨拋的加工經(jīng)驗，以及對相關工具加工參數(shù)及加工效果的了解。

進行數(shù)控磨拋加工，其選用的磨拋工具及其運行的參數(shù)對磨拋加工效果有最直接的影響。針對不同的加工特征及不同的技術需求，選擇合適的磨拋工具及其加工運行參數(shù)，是實現(xiàn)自動化磨拋的關鍵。針對不同的特征結構，可以選用端面刷、圓周刷、內(nèi)孔刷、打磨盤、砂帶以及球頭刀等磨拋工具；針對不同的技術要求，可以通過控制磨拋工具的旋轉(zhuǎn)速度、進給速度、壓緊量以及走刀次數(shù)等，得到不同的去除量及表面質(zhì)量。

3 磨拋特征分析

對該機匣類零件的全部鉗加工打磨位置進行分析，確定磨拋特征類型，并確定其初設加工方案。通過梳理目前的工藝狀態(tài)，初步確定能夠由數(shù)控磨拋加工的鉗工特征為：機加位置倒圓倒角特征、加工面向非加工面過渡特征、機加邊緣飛邊毛刺特征、接刀痕特征。

3.1 機加位置倒圓倒角特征

該類特征大部分可以通過數(shù)控設備加工達到要求，但是個別受到設備、加工位置、工具工裝限制的部位，仍然需要鉗工手動進行工作，如圖2所示。針對“機加位置倒圓倒角特征”余量小、精度要求高、不可對周邊位置產(chǎn)生不利影響等特點，制定加工方案為使用倒圓刀或鋼毛刷對銳邊進行倒圓加工，使用倒角刀對孔及型面的倒角進行加工。

3.2 加工面向非加工面過渡特征

該類特征存在于大部分鑄造零件中，由于鑄件存在大量非加工表面，必然會產(chǎn)生大量的過渡特征，因此過渡位置的處理較為困難。針對“加工面向非加工面過渡特征”存在較為廣泛、涉及面積較大、通常會有銳邊殘留等特點，初步制定加工方案：首先使用千葉輪對交接位置的銳邊進行打磨，使交接位置的過渡圓滑；其次使用柔性刷對表面進行拋修，保證表面質(zhì)量。

3.3 機加邊緣飛邊毛刺特征

該類特征通常是由于加工位置尺寸復雜、無法通過機械加工方法有效去除的位置，該類型特征位于機加表面交接處，受到兩側(cè)加工面的影響，但通常余量較小。針對“機加表面飛邊毛刺特征”位于機加交接面、余量小、精度要求高以及位置復雜等特點，制定加工方案：存在一定余量的位置使用銼刀去除菱角，余量較小時使用鋼毛刷進行銳邊拋光。

圖2 機加位置倒圓倒角特征

3.4 接刀痕特征

該類特征存在于2次加工刀路的交叉位置，接刀痕通常位于平面，相對較為明顯，但余量較小。針對“接刀痕特征”表面開闊、余量小以及影響外觀等特點，制定加工方案為使用砂帶對接刀痕整體進行拋修，然后使用鋼毛刷對表面進行拋修。

4 加工工具試驗

4.1 現(xiàn)有工具試驗與分析

數(shù)控機床主要使用的是正反倒角刀、專用倒圓刀和球銑刀等，受刀具結構尺寸的限制，無法實現(xiàn)復雜型面的加工，尤其對于鑄造件、焊接件等尺寸不固定的位置，使用該類刀具進行數(shù)控加工極易導致相關尺寸超差。

打磨鉗工主要使用手動磨拋工具進行零件光整加工，分為3類：1）直接抓持類工具。2）安裝在手持式氣磨機類硬接觸工具。3）安裝在手持式氣磨機類軟接觸工具。

初步試驗內(nèi)容為嘗試是否可以使用鉗工工具在數(shù)控設備進行仿形加工，通過現(xiàn)場加工驗證得出：1）銼刀、砂紙和油石等直接抓持類工具無法在數(shù)控設備使用，排除該類工具。2）硬接觸類工具在機床上與零件接觸時震動過大，弊端同球銑刀且質(zhì)量更差。3）軟接觸類工具的刀柄位置精度不足，回轉(zhuǎn)時偏擺較大，且尺寸控制效果差。

由于數(shù)控機床不具備鉗工的視覺識別能力和多維度力控能力，在現(xiàn)有條件下直接使用鉗工工具進行數(shù)控磨拋加工，不具備可行性。如果計劃實現(xiàn)數(shù)控機床自動磨拋，在不進行設備改造的前提下，需要選擇1種兼顧切削力與適應性的磨拋工具。

4.2 數(shù)控磨拋工具探索

現(xiàn)有的鉗工磨拋工具無法使用，需要繼續(xù)探索可以應用于數(shù)控機床的工具。

通過與加工刀具及磨拋工具的相關技術人員交流，進行了纖維刷、銅絲刷、尼龍刷、碳化硅/氧化鋁磨盤、橡膠旋風輪、羊毛刷等工具的試驗。纖維刷加工適應性較好，磨損較低，但是切削力較差，不能對飛邊進行有效加工，可以去除微小的二次毛刺。銅絲刷的加工適應性較好，切削力一般，磨損較為嚴重，由于工具整體規(guī)格較小、黃銅絲較少，在加工過程中黃銅絲斷裂損耗過快。尼龍刷同樣存在切削力較差的問題，對于飛邊類特征加工效果差。其余磨拋工具均為光整用工具，可以在數(shù)控機床上使用，但是只在表面光整方面有效，飛邊毛刺去除能力依然較差，工具在加工過程中被飛邊割傷嚴重。

綜上所述：在數(shù)控機床去除非特定尺寸位置的飛邊毛刺，需要選用具備一定適應性的工具，但具備適應能力的工具又通常存在切削力低及自身強度差的缺陷。

根據(jù)試驗總結的經(jīng)驗，繼續(xù)探索并試驗新型數(shù)控磨拋工具。

金剛石磨盤類工具，其內(nèi)圈為金屬材質(zhì)、外圈為橡膠材質(zhì)、表面鑲嵌一層金剛石磨料的盤形打磨輪；刀柄后部有臺階，更換刀具可定刀長；前端磨盤可快換，提高工具更換速度；磨盤直徑有φ16 mm、φ3 mm、φ36 mm、φ54 mm等規(guī)格。該工具面層的金剛石磨料具備較好的切削能力、外圈的橡膠具備一定的適應能力，可實現(xiàn)飛邊的去除；但磨損較快，當面層磨料損傷后基本失去切削能力，且適應性有限，當面對尺寸偏差大的位置時效果不佳。

陶瓷纖維研磨刷類工具如圖3所示，其由陶瓷材料及氧化鋁纖維制成，是新型無機陶瓷纖維，具有高強度、穩(wěn)定性好和耐高溫等優(yōu)良性能[2]。每根線材有近千個切削刃，以研磨顆粒做成的尼龍刷的切削材料含有率僅為20%，陶瓷纖維刷的切削材料含有率約為80%，具有非常高的切削能力；其主要用于去除飛邊毛刺、進行表面研磨等工作，質(zhì)量穩(wěn)定性高、加工效率高。

陶瓷纖維研磨刷具有切削力高、切削力穩(wěn)定持續(xù)和線材不變形等特點。其磨拋加工的優(yōu)勢包括可以適應大多數(shù)材料，不產(chǎn)生二次毛刺，提高加工表面的表面粗糙度，可干濕兩用（濕式加工更有利于提高表面粗糙度及延長工具的壽命），其在加工橫向毛刺時，逆銑加工比順銑加工效果更佳。

圖3 陶瓷纖維研磨刷示意圖

陶瓷纖維研磨刷加工參數(shù)設定：該工具有嚴格的加工參數(shù)要求，針對不同的去除量及表面粗糙度需求，應選用適宜的加工參數(shù)，加工參數(shù)選用見表1，加工時不可超過其規(guī)定的轉(zhuǎn)速上限。

表1 陶瓷纖維端面刷加工參數(shù)表

陶瓷纖維內(nèi)孔專用刷也是陶瓷纖維刷的1種，通過主軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力進行磨拋切削加工，設定的主軸轉(zhuǎn)速必須達到8000 rpm以上，內(nèi)孔刷可以去除零件內(nèi)側(cè)貫穿孔邊緣的飛邊毛刺，刷子靜止時的直徑尺寸D適用于加工的孔徑尺寸為1.7D～2.7D。

使用方法有4個：1）在工具未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下深入孔內(nèi)，工具最前端經(jīng)過待加工交叉孔。2）在經(jīng)過交叉孔的位置旋轉(zhuǎn)工具。3）沿工具軸線方往復運動。4）停止工具的旋轉(zhuǎn)，退出工具。

球頭去毛刺銑刀使用AlTiCrN材料制作的球頭去毛刺銑刀。AlTiCrN涂層能夠顯著提升刀具的耐磨性能[3]，該球頭去毛刺銑刀具有高耐熱性、高強度以及長壽命等特點，適用于機加后尺寸較為固定、尺寸形狀較為復雜的型面的正反倒角光整。

4.3 數(shù)控磨拋工具的應用

綜合考慮工具的適用性、零件特征種類、數(shù)控設備自身條件等因素，應遵循：“使用盡量少種類的工具、用盡量高的加工效率、去除盡量多的飛邊毛刺”原則，選用較為通用的磨拋工具，使用較少的設備刀位及占機時間。

根據(jù)每臺加工中心主要加工零件的特點，配備各類陶瓷纖維研磨刷、球頭去毛刺銑刀等相適用的工具，將數(shù)控磨拋加工技術應用于生產(chǎn)。

陶瓷纖維研磨刷、球頭去毛刺銑刀以及其他磨拋工具均有其明確的尺寸規(guī)格，在程序編制時，按照常規(guī)數(shù)控加工編程方式編制其加工程序；對于刷類軟接觸工具，需在刀長方向按要求相應增加過切量。

根據(jù)目前工段主要加工零件的結構特征，將磨拋內(nèi)容進行分類并匹配相適應的工具，進行現(xiàn)場加工試驗：1）對于各類安裝座邊緣、支板銳邊的毛刺，空間較為開闊的，均可以選用陶瓷纖維端面刷進行加工去除。陶瓷纖維端面刷可以較好地適應由鑄造、焊接等因素導致的實際尺寸不確定的問題，按理論邊緣位置進行加工，基本可實現(xiàn)該類特征飛邊毛刺的去除，但是尺寸偏差可能會導致加工效果差異，可以適當調(diào)整上刀量進行調(diào)整。2）對于各類安裝邊側(cè)面的毛刺，空間狹小、不便于刀具端面接觸的，可酌情選用陶瓷纖維周向刷進行加工去除。3）對于各類正、反倒角，可選用球頭去毛刺銑刀進行銑加工去除，若尺寸范圍合適，可實現(xiàn)使用一把刀具對多種規(guī)格孔口的正、反尖邊進行倒鈍加工。

5 結論

通過尋找并試驗各種類型數(shù)控機床用的磨拋加工工具，實現(xiàn)了在數(shù)控機床上對特殊位置的飛邊毛刺進行自動化去除，減少了打磨鉗工的工作量，提高了磨拋加工的質(zhì)量穩(wěn)定性。通過對數(shù)控機床用磨拋工具的探索與試驗，得到可用于生產(chǎn)需求的工具，為自動化磨拋加工進行了技術儲備；得到各類磨拋工具的數(shù)控加工效果，使用方法及加工參數(shù)，可以根據(jù)實際需求選用相應的工具進行生產(chǎn)。