摘 要：航空搖臂類零件是航空產(chǎn)品中重要的承力件，多為薄壁、異形的框架結(jié)構(gòu)，加工過程中存在著加工精度難保證、定位基準(zhǔn)難選取和數(shù)控刀路難安排等問題。采用傳統(tǒng)工藝加工零件，往往需要定制多套夾具，經(jīng)過多種設(shè)備的周轉(zhuǎn)才能完成，其加工質(zhì)量差，成本高，周期長(zhǎng)。通過對(duì)航空搖臂類零件的加工工藝進(jìn)行分析和改進(jìn)，研究了在加工航空搖臂類零件時(shí)的夾具設(shè)計(jì)方案、刀具的選用以及數(shù)控程序編制過程中需要注意的事項(xiàng)，對(duì)同類型搖臂的加工具有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：燕尾夾具；振顫；程序優(yōu)化
近年來，隨著控制理論和技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)的航空制造水平得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，處于制造業(yè)頂端的企業(yè)已經(jīng)全面完成了從傳統(tǒng)制造方式向數(shù)字化制造方式的轉(zhuǎn)變。航空搖臂類零件作為航空產(chǎn)品中重要的承力件，加工精度要求越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)合化，這給零件的加工帶來了很大的難度。本文以航空止動(dòng)搖臂類零件為例，對(duì)其工藝方案設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、數(shù)控編程刀路設(shè)計(jì)和仿真等方面進(jìn)行了分析研究。
一種航空止動(dòng)搖臂零件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。零件外形尺寸為167 mm×68 mm×84 mm。搖臂上的軸承孔公差較嚴(yán)，上端的φ26N7孔為軸承孔，圓柱度要求為0.012 mm，表面粗糙度要求為Ra0.8 μm。兩側(cè)的懸臂壁厚較單薄，由于零件的結(jié)構(gòu)剛度差，加工中容易產(chǎn)生振顫現(xiàn)象。各拐角處的圓角要求較小(為R3～R5)，精加工只能應(yīng)用小尺寸刀具，且刀具懸深長(zhǎng)，加工中易發(fā)生啃刀。
圖1 航空止動(dòng)搖臂零件結(jié)構(gòu)示意圖
鋁合金仍是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的主要材料，以低密度和高強(qiáng)度為發(fā)展方向?？湛虯380客機(jī)上，鋁合金材料約占整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的61%，主要采用了7055、7085等新型高強(qiáng)度鋁合金和2099、2195等低密度鋁鋰合金。
圖1所示零件材料為7050-T7451，該材料屬于高強(qiáng)度可熱處理鋁合金，具有極高的強(qiáng)度、抗剝落腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能。航空產(chǎn)品多選用預(yù)拉伸板材，通過對(duì)材料的預(yù)拉伸處理，可以提前消除材料的內(nèi)應(yīng)力。該材料切削性能較好，不容易發(fā)生變形，一般情況下可不安排粗加工。該材料是2A12、LY12等傳統(tǒng)鋁合金的優(yōu)秀替代品。
加工設(shè)備的選擇應(yīng)保證設(shè)備的行程和工作精度能夠滿足零件的加工需求，本文選用立式加工中心、立臥轉(zhuǎn)換加工中心和數(shù)控線切割。
零件的主要加工流程如下。
1)備料。根據(jù)零件的外形尺寸和附件留取的位置給定尺寸，一般附加方向多預(yù)留10～20 mm，其余方向預(yù)留2～3 mm。
2)立加。完成零件附加及定位基準(zhǔn)的加工，為后續(xù)工序確定基準(zhǔn)。
3)立臥轉(zhuǎn)換。一次裝夾，完成零件主體加工，主要通過加工順序的合理安排，以及數(shù)控程序刀路的優(yōu)化，減少零件變形，確保零件質(zhì)量。
4)線切割。用線切割的方法去除零件附加，變形小，零件質(zhì)量穩(wěn)定。
5)鉗工。去除棱邊毛刺和電腐蝕層。
6)檢驗(yàn)。全面檢測(cè)零件尺寸特性。
定位基準(zhǔn)的選擇應(yīng)便于零件定位、裝夾和加工，同時(shí)應(yīng)有足夠的定位精度和可靠性。
對(duì)于航空搖臂類零件，按傳統(tǒng)的一面兩銷定位方式很難滿足立臥轉(zhuǎn)換加工中心的要求。針對(duì)立臥轉(zhuǎn)換加工中心的定位方式一般有燕尾定位和螺釘反向拉緊定位，這2種定位均可以實(shí)現(xiàn)五面加工。2種定位方式均需要在零件的合適位置留取工藝附件和工藝凸臺(tái)。在確定工藝附加和工藝凸臺(tái)位置時(shí)，應(yīng)充分考慮去除附加后零件變形對(duì)加工質(zhì)量的影響。燕尾定位適合零件長(zhǎng)寬差異小，尺寸規(guī)格約為200 mm×200 mm×200 mm及以下零件的加工；而零件長(zhǎng)寬差異大，尺寸規(guī)格大的零件，可選用螺釘反向拉緊定位方式，以提高定位的可靠性和穩(wěn)定性。
夾具設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工件定位穩(wěn)定、可靠，并且有足夠的承載或夾緊力度，做到裝夾快速、便捷。夾具的種類很多，常用的有液壓夾具、真空吸附夾具和磁力夾具等。液壓夾具在使用過程中裝夾快速，裝夾力均勻，定位精度高，特別適合大型薄壁零件，可實(shí)現(xiàn)多工位裝夾，提高生產(chǎn)效率；真空吸附夾具適用于有較大定位平面和可密封范圍的工件，對(duì)零件的結(jié)構(gòu)有特殊要求；磁力夾具除了要求零件材料帶有磁性外，在使用過程中還需要增加一些“防轉(zhuǎn)”措施，適合零件的精加工。液壓夾具和真空吸附夾具制造成本均較高，且制造周期長(zhǎng)，磁力夾具成本較低，但使用限制較多。在設(shè)計(jì)夾具過程中應(yīng)充分考慮零件的材料、結(jié)構(gòu)、批量和加工成本等因素，綜合選用一種既定位可靠、裝夾方便，又便于制造、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的夾具。
目前，對(duì)于搖臂的加工主要是以三軸立式加工中心為主，張會(huì)珍等[1]設(shè)計(jì)了一種搖臂加工用的快換回轉(zhuǎn)夾具，利用一套夾具可實(shí)現(xiàn)正反兩面的加工；但是對(duì)于立臥轉(zhuǎn)換加工中心來說，這種夾具不能充分發(fā)揮立臥轉(zhuǎn)換加工中心的優(yōu)勢(shì)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一套燕尾夾具，是一種帶自定心功能的新型虎鉗式夾緊裝置。該夾具制造簡(jiǎn)單，定位可靠，可實(shí)現(xiàn)快速裝夾。該燕尾夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，裝夾加工示意圖如圖3所示。
圖2 燕尾夾具結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 燕尾夾具裝夾加工示意圖
該夾具通過定位銷限制1個(gè)自由度，通過2個(gè)燕尾的鉗口限制另外5個(gè)自由度。零件加工時(shí)可以完全避開夾具體，實(shí)現(xiàn)前、后、左、右、上這5個(gè)面的同時(shí)加工。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意夾具的總高，且滿足臥式機(jī)床的要求。
根據(jù)航空鋁合金切削加工性較好的特點(diǎn)，一般情況下采用高速加工技術(shù)進(jìn)行加工。粗加工刀具應(yīng)具有良好的強(qiáng)度、柔性及排屑性能，可以適應(yīng)粗加工階段材料去除率高的特點(diǎn)；精加工刀具應(yīng)保證刃口鋒利，以保證較小的切削徑向力，減小零件變形，降低表面粗糙度。
數(shù)控加工刀具的選擇原則是安裝調(diào)整方便，剛度好，耐用度和精度高[2]。刀具選擇過程中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：1)粗加工階段盡量選用大尺寸方肩銑刀、波刃銑刀，以提高金屬材料去除率；2)盡量選用機(jī)夾式刀具，以減少刀具換裝、調(diào)整時(shí)間；3)刀具的懸深應(yīng)盡可能縮短，以免在加工過程中出現(xiàn)讓刀、振刀等現(xiàn)象；4)清角加工時(shí)，刀具半徑不能超過拐角半徑的90%，以減少啃刀的產(chǎn)生；5)一般推薦刀具前角為15°～20°，以有效減少積屑瘤的產(chǎn)生；6)一般推薦刀具后角為10°～15°，以減小加工表面的回彈，降低刀具磨損；7)一般推薦刀具螺旋角為30°～40°，以保證較大的容屑空間和刀具切削刃強(qiáng)度。
加工航空鋁合金整體結(jié)構(gòu)件時(shí)，切削速度是沒有限制的，只取決于機(jī)床性能。采用較高的切削速度，可以提高生產(chǎn)效率，減少加工過程中積屑瘤的產(chǎn)生，提高零件的表面加工質(zhì)量；當(dāng)然，較高的切削速度會(huì)加劇刀具的磨損，降低刀具壽命。在航空搖臂類零件加工過程中，選擇較高的切削速度有利于降低切削力，減小零件變形，在切削過程中，切屑會(huì)將加工產(chǎn)生的部分熱量帶走，降低零件表面溫度[3]。
該零件的加工選擇在立臥轉(zhuǎn)換加工中心DMC60U上進(jìn)行，工序安排集中，一次裝夾完成除附加外所有內(nèi)容的加工，對(duì)工藝人員的編程能力要求較高，需要合理安排刀路的順序。通常以先粗后精、先外后內(nèi)、先上后下，先面后孔的原則安排加工順序。切削參數(shù)見表1。
表1 切削參數(shù)表
序號(hào)刀具名稱加工部位加工策略主軸轉(zhuǎn)速/r·min-1進(jìn)給速度/mm·min-1切深/mm切寬/mm1?50面銑刀粗加工外形外形銑800030003252?20R3方肩銑刀粗加工外形等高降層80003000363?20R2波刃銑刀粗加工外形外形銑800030002104?10R2波刃銑刀粗加工外形外形銑600030001015?6R3整硬球頭銑刀銑斜面等高銑60003000殘料高0.01—6?6R3整硬球頭銑刀清角加工外形銑6000300030.57?6R2整硬銑刀挖槽挖槽加工40001500128?20R2整硬銑刀精銑外形外形銑80003000259?10R3整硬銑刀精銑外形外形銑6000300030.510?6R2整硬銑刀精銑外形外形銑500030005511?6R2整硬銑刀精銑斜面導(dǎo)引切削50003000殘料高0.01—12?4R1整硬銑刀精銑槽外形銑350015003413?20R0整硬銑刀螺旋銑孔螺旋銑8000300031014?26鏜刀鏜孔鏜孔4000300——
編程及仿真過程中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：1)因機(jī)床帶有刀尖隨動(dòng)功能，加工前燕尾夾具可在工作臺(tái)上任意放置，不需要將夾具放置于機(jī)床回轉(zhuǎn)中心；2)粗加工用大尺寸刀具開粗后，應(yīng)安排清角加工，使精加工余量盡量留取均勻，以免因余量不均勻引起精加工過程出現(xiàn)啃刀、斷刀現(xiàn)象；3)清角加工應(yīng)安排分層銑削，以有效減輕振刀現(xiàn)象；4)合理設(shè)置拐角降速，因零件轉(zhuǎn)接部位多，刀具在拐角處應(yīng)將進(jìn)給速度降至原來的30%～50%，以減小拐角處出現(xiàn)振動(dòng)、啃刀現(xiàn)象。
為了保證數(shù)控程序的正確性與高效性，通過CATIA前置與后置處理輸出的數(shù)控程序在實(shí)際加工前，采用VERICUT軟件對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行虛擬加工與優(yōu)化。VERICUT軟件采用CATV數(shù)據(jù)接口與CATIA數(shù)控加工模塊無縫對(duì)接，通過接口可以將零件、毛坯、刀具一次性全部導(dǎo)入VERICUT仿真環(huán)境，也可以在VERICUT軟件中手動(dòng)選擇添加。VERICUT數(shù)控程序仿真的流程如圖4所示。
圖4 數(shù)控程序仿真流程圖
利用VERICUT軟件可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床、刀具、夾具、零件(含毛坯)以及切削參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)加工完全一致的狀態(tài)[4]。在虛擬仿真的過程中，通過可視化窗口可以直觀地觀測(cè)到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及零件的實(shí)時(shí)加工情況。軟件還提供了加工后模型與理論模型的對(duì)比功能，程序員可以通過修改精度等級(jí)來確定零件是否過切或者存在殘余。與CATIA前置不同的是，為了限定切削過程中刀具與機(jī)床的受力，VERICUT軟件可以顯示每一次下刀的去除余量，去除余量不均勻，就會(huì)導(dǎo)致加工過程中發(fā)生振動(dòng)與沖擊，在零件結(jié)合面或凸起處發(fā)生啃傷的現(xiàn)象。
針對(duì)去除余量不均勻的現(xiàn)象，應(yīng)用VERICUT軟件優(yōu)化數(shù)控程序的功能實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的優(yōu)化。優(yōu)化的原理是刀具的加工路徑保持不變，以恒定切削厚度或恒定體積去除率這2種方法為基礎(chǔ)來改變每一段切削的進(jìn)給率。VERICUT軟件數(shù)控程序優(yōu)化是基于對(duì)刀具切削參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)刀具樣本給出的線速度vc、轉(zhuǎn)速n和每齒進(jìn)給量fz等參數(shù)，并結(jié)合加工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，添加刀具的優(yōu)化信息。為了避免加工過程中快速進(jìn)退刀造成的碰撞，還可以在刀具優(yōu)化中添加刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的極限信息。設(shè)定完成后運(yùn)行程序，在刀具切削的同時(shí)完成數(shù)控程序優(yōu)化。數(shù)控程序經(jīng)過優(yōu)化，一方面可以合理地選擇刀具懸長(zhǎng)，提高刀具剛度，進(jìn)而提高加工效率和零件表面質(zhì)量；另一方面可以通過采用調(diào)整順逆銑、上下坡、進(jìn)退刀、轉(zhuǎn)彎降速、重切削以及輕切削等方法提高加工效率。
本文對(duì)航空止動(dòng)搖臂零件的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過選用合理的加工設(shè)備、適宜的工藝方案、先進(jìn)的編程和仿真思路，同時(shí)通過一種燕尾式夾具的使用，優(yōu)化了航空止動(dòng)搖臂的加工工藝方案，縮短了零件的加工流程，使得零件的加工質(zhì)量穩(wěn)定，加工效率得到明顯提升，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為航空搖臂類零件的加工提供了很好的借鑒。