采用動態(tài)銑策略和真空吸附方式完成金屬薄壁件的加工

邱建設 王學林 費紹凱 方懷金

江蘇自動化研究所，中國·江蘇 連云港 222001

1 引言

論文在用動態(tài)銑削替代傳統(tǒng)端銑刀分層銑削方法的基礎上，綜合考慮刀具優(yōu)選和切削參數(shù)對切削過程的影響，針對性地采取了有效措施，以確保生產(chǎn)效率的提升和刀具成本的降低。

2 零件工藝分析

2.1 零件結構分析

某產(chǎn)品用壁板零件如圖1（a）、如圖1（b）所示，零件正面有三處封閉沉框，反面有凸臺、沉框、筋板、減輕槽等特征，毛坯重量38.8kg，加工完成后重量4.35kg，如圖2（a）、圖2（b）所示，去除率高達88.7%，材料為合金鋁板2A12H112。

圖1 某產(chǎn)品用壁板零件

圖2 加工完成后某產(chǎn)品用壁板零件

2.2 加工難點分析

壁板零件加工難點有以下幾點：

①零件形狀復雜，大面整體加工完畢金屬薄壁整體厚1.5mm，材料的金屬去除率高達88.7%，加工余量大，變形量大。

②加工過程中由于切削力不穩(wěn)定，尤其是中空部位加工過程中容易發(fā)顫過切。

③反面裝夾困難，原工藝方案是采用壓板壓緊，分區(qū)域加工的方式進行加工，人工勞動強度大。

④原加工方案是分區(qū)域編程，操作麻煩，對編程和操作者的要求比較高[1]。

3 工藝思路、加工策略

①金屬薄壁零件的初始殘余應力，通常與毛坯材料的受熱因素有關，而加工殘余應力通常在加工后才反映出來。導致金屬薄壁零件的殘余應力變形的兩個主要因素為：受熱因素和機械力因素。工件毛坯初始殘余應力的消除，能有效減小零件的加工變形，最終方案為材料經(jīng)加熱至370℃～390℃，保溫2～3h，隨爐冷卻，去除應力后再加工。

②正面采用虎鉗夾持，完成上表面、外形、沉框和斜邊等特征內(nèi)容。

③反面采用3D 動態(tài)銑削進行開粗，完成壁板整體余量去除。

動態(tài)銑削是為適應高速銑削加工而開發(fā)出來的一種加工策略，其刀具軌跡追求切削力的穩(wěn)定，不出現(xiàn)劇烈的突變，包括切削力和切削方向的突然變化，確保了高速加工穩(wěn)定、持續(xù)進行。因此，這種加工在高速銑削加工的粗銑階段效果明顯。常規(guī)分層銑削切寬較大而切深相對較小，MasterCAM的動態(tài)銑削技術包括2D 動態(tài)銑削和3D 動態(tài)銑削。使用這種工藝可以將控制金屬薄壁零件變形的措施程序固化，從而避免了因操作者不同而引起的質量差異。采用“小切深，快刀走”走刀方式，其具有明顯優(yōu)勢：刀具高速旋轉時與工件接觸的瞬間，工件被軟化，切削力變小而加工速度變快；同時切削熱被迅速帶走，排除了切削熱造成的工件變形，能保障零件加工精度和提高加工效率。在加工階段，刀具以傾斜圓弧進刀或螺旋進刀方式切削工件材料，刀具負荷較穩(wěn)定，刀軌路徑方向不改變，在選擇切削參數(shù)時，以提高生產(chǎn)率為主，采取高進給率、小切削量和高切削速度的原則。

④反面采用真空吸附方式裝夾。

真空吸附技術是利用真空系統(tǒng)與大氣壓力形成的壓力差實現(xiàn)物體的固定、抓取或移動，近年來在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的應用愈發(fā)廣泛。在機械加工領域，真空吸附是利用真空發(fā)生裝置產(chǎn)生的真空壓力作為動力源，通過真空吸盤吸附固定物體，以達到高效夾持工件的目的。真空吸盤具有制造簡單、價格便宜、定位精度高、被加工零件變形小、裝卸便捷的優(yōu)點。

⑤反面加工在工件三處沉框處墊薄板輔助支撐。

⑥采用三維實體進行編程，實現(xiàn)編程高效同時利用實體仿真功能進行驗證降低出錯率[2]。

4 實施加工過程

工序1 加工內(nèi)容見表1，工序2 加工內(nèi)容見表2。

表1 工序1 加工內(nèi)容

表2 工序2 加工內(nèi)容

最后，加工的成品見圖3[3]。

圖3 加工的成品

5 刀具加工參數(shù)

通過對該零件材料的物理性能、加工要素以及現(xiàn)場加工設備性能進行分析研究，最終選擇在海天龍門加工中心上完成壁板的加工，具體加工參數(shù)見表3、表4。

表3 正面加工參數(shù)、虎鉗裝夾

表4 反面加工參數(shù)、真空吸盤吸附

6 結語

利用該工藝方案，以良好的質量、高效的加工效率、優(yōu)異的變形控制量圓滿完成了金屬薄壁壁板零件的生產(chǎn)加工，加工效率較之前工藝方案整體提高了30%以上。