數(shù)控訓(xùn)練|鋁合金模鍛件高速切削加工實(shí)用案例
隨著加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，鋁合金高速切削成為企業(yè)的首選。一直以來，高速切削往往局限于鋁板類毛料，由于鋁合金模鍛件余量不均勻經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致高速加工切削不連續(xù)，繼而形成斷續(xù)切削，對(duì)刀具磨損十分嚴(yán)重，同時(shí)會(huì)引起刀具折斷從而打傷零件的現(xiàn)象。由于航空類鋁合金零件生產(chǎn)中模鍛件仍然是設(shè)計(jì)的首選毛料，為保證數(shù)控加工產(chǎn)能翻倍的目標(biāo)，此類零件采用高速銑切加工勢在必行。本文將以某機(jī)零件加工方案為例分析論證模鍛件高速銑加工的可行性。
航空類鋁合金零件介紹
舉例，該零件為某機(jī)翼內(nèi)骨架重要組成部分，在機(jī)翼內(nèi)起龍骨作用，是重要受力件。該零件材料牌號(hào)狀態(tài)為7B04 T74，外廓尺寸為2430mm×236mm×42mm;零件上有2個(gè)φ12H9工藝孔用于加工及裝配時(shí)定位;腹板厚度為3~5mm，腹板上有10個(gè)φ76~116大小不等的通孔;緣條厚度尺寸為4.5mm;整個(gè)零件中間13根(厚度為3mm)加強(qiáng)筋。
零件工藝性分析
零件材料屬于高強(qiáng)度超硬形變鋁合金，為Al-Zn-Mg-Cu系合金,是一種可熱處理強(qiáng)化的鋁合金。它具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、工藝性能優(yōu)良等特點(diǎn)，其相應(yīng)的化學(xué)成分(重量百分比)為:5.7%Zn，2.3%Mg，1.43%Cu，0.2%Cr。其加熱模鍛的工藝特點(diǎn)是塑性較差、流動(dòng)性差、粘附性大、模鍛不易成形;并且對(duì)變形速度和變形程度十分敏感，隨著變形速度的增加而急劇下降;鍛造溫度范圍窄，始、終鍛溫度要求嚴(yán)格。
鍛件經(jīng)過淬火及人工時(shí)效處理后σb=450~540MPa;由于金屬晶體間的各向異性，鍛造過程中由于各部分冷熱收縮不均勻以及金相組織轉(zhuǎn)變的體積變化，使毛坯內(nèi)部產(chǎn)生了相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力。毛坯內(nèi)應(yīng)力暫時(shí)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，切削去除一些表面材料后就打破了這種平衡，內(nèi)應(yīng)力重新分布，此時(shí)加工后的零件就明顯地發(fā)生變形。
內(nèi)應(yīng)力指的是當(dāng)外部的載荷去除后，仍殘存在工件內(nèi)部的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力因金屬內(nèi)部宏觀的或微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生，其外界因素就來自熱加工和冷加工。具有內(nèi)應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，它內(nèi)部組織有強(qiáng)烈的傾向要恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的沒有內(nèi)應(yīng)力的狀態(tài)，即使常溫下零件也不斷地進(jìn)行這種變化，直到內(nèi)應(yīng)力消失為止。
殘余應(yīng)力是指受工藝過程的影響，在沒有外力作用的情況下，在零件內(nèi)部所殘余的應(yīng)力彼此保持平衡，零件切削加工后各部分殘余應(yīng)力分布不均勻，使零件發(fā)生變形，影響零件的形狀和尺寸精度[2]。其產(chǎn)生的原因可分為3種情況：
這種殘余應(yīng)力是零件在加工過程中最常出現(xiàn)的。當(dāng)施加外載時(shí)，若零件的一部分區(qū)域發(fā)生不均勻塑性變形，卸載后該部分就產(chǎn)生殘余應(yīng)力;同時(shí)，由于殘余應(yīng)力必須在整個(gè)零件內(nèi)達(dá)到自相平衡，致使零件中不發(fā)生塑性變形的那一部分區(qū)域也產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
零件在熱加工過程中常出現(xiàn)這種殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力是由于零件在熱加工中的不均勻塑性變形與不均勻的體積變化而產(chǎn)生的。這種殘余應(yīng)力是由于從零件表面向內(nèi)部擴(kuò)展的化學(xué)或物理的變化而產(chǎn)生的，金屬材料的化學(xué)熱處理、電鍍、噴涂等加工均屬此例。
此零件屬于典型的單面加工肋板類，零件加工以一面兩孔定位，零件外形為機(jī)翼理論外緣，零件頭部外形有33°閉斜角。零件內(nèi)形相對(duì)開敞，可以用φ30以上刀具粗加工，零件底角半徑R為4mm，緣條與筋條間轉(zhuǎn)角半徑R為8mm,局部位置凸臺(tái)與緣條間距離為8.5mm。
加工工藝方案設(shè)計(jì)
在普通數(shù)控銑加工中，由于采用低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給、大切深、低速加工的方式，零件變形比較大，零件粗加工后最大側(cè)彎變形為6mm，最大翹曲變形為20mm，最大彎曲變形為5mm。
加工工序設(shè)計(jì)
為了滿足產(chǎn)品尺寸精度及加工質(zhì)量，在此設(shè)計(jì)出比較繁瑣的工序來抵消零件變形帶來的影響：
(1)粗銑底平面，留工藝余量5mm;
(2)制2個(gè)φ12工藝孔至φ10H 9;
(3)以一面兩孔定位粗銑零件內(nèi)外形(內(nèi)外形各留工藝余量5mm，腹板及緣條高度方向各留工藝余量5mm);
(4)零件加熱校正腹板底面平面度，保證在2mm之內(nèi);
(5)加工零件底面，去除工藝余量3mm(仍然保留2mm工藝余量);
(6)再次以一面兩孔定位銑零件內(nèi)外形(內(nèi)外形各留工藝余量2mm，腹板及緣條高度方向各留工藝余量1mm);
(7)零件加熱校正腹板底面平面度，保證在1mm之內(nèi);
(8)加工零件底面，去除工藝余量，腹板底面到位;
(9)擴(kuò)大零件2個(gè)工藝孔至φ12H 9;
(10)以底面及兩工藝孔定位精加工零件內(nèi)外形。
為了滿足加工要求，使用3套工藝裝備。其中一套為鉆模，用于兩次加工零件工藝孔;一套為數(shù)控用真空銑夾，用于零件粗加工;一套為數(shù)控用真空銑夾，用于零件精加工。
加工質(zhì)量分析
(1)腹板彎曲變形比較大，平面度達(dá)到2mm，需要多次加熱校正。
(2)尺寸精度在±0.3mm之內(nèi)，基本滿足零件尺寸公差。
(3)表面粗糙度R a大部分在3.2μm之內(nèi)，局部為6.3μm，甚至更差，需要鉗工整體拋光處理。
(4)受切削力及切削熱影響，內(nèi)應(yīng)力比較大，表面處理后的零件平面度有變壞的現(xiàn)象，同時(shí)伴有側(cè)彎現(xiàn)象。
高速切削工藝方案特點(diǎn)
通常把切削速度比常規(guī)切削速度高5~10倍以上的切削稱為高速切削。目前高速銑機(jī)床加工鋁合金切削線速度為1000~7000m/min。在高速切削狀態(tài)，隨著切削速度的提高，切削力下降，加工表面質(zhì)量提高;切削熱大部分由切屑帶走，工件基本保持冷態(tài)。而刀具壽命隨著切削速度的提高而下降。
與常規(guī)切削相比，高速切削具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1)加工效率高。隨著切削速度的大幅度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高5~10倍。金屬去除率可達(dá)到常規(guī)切削的3~10倍。同時(shí)機(jī)床快速空行程速度的大幅度提高，也減少了非切削的空行程時(shí)間，極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)率。
(2)切削力降低。在切削速度達(dá)到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于薄壁細(xì)肋等剛性差零件的精密加工。
(3)工件熱變形減小。高速切削刀具熱硬性好，95%~98%以上的切削熱被切屑飛速帶走，工件可基本上保持冷態(tài)，可進(jìn)行高速干切削，不用冷卻液，減少對(duì)環(huán)境的污染，能實(shí)現(xiàn)綠色加工。
(4)已加工表面質(zhì)量高。高速切削時(shí)，機(jī)床的激振頻率特別高，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開了“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，工作平穩(wěn)振動(dòng)小。
(5)有利于保證零件的尺寸、形位精度。
(6)能保證刀具和工件保持低溫度，延長了刀具的壽命。在高速切削中切削量淺，切削刃吃刀時(shí)間短，進(jìn)給比熱傳播的時(shí)間快。刀具和主軸上的徑向力低。能減小主軸軸承、導(dǎo)軌和滾珠絲杠的磨損，對(duì)主軸軸承的沖擊小。可以使用懸伸較長的刀具，振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)小。
(7)加工成本大大降低。高速加工提高了加工效率和加工質(zhì)量，減少了打磨修整工序。
工藝方案設(shè)計(jì)
在高速切削加工中，由于采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、小切深、高速加工的方式，零件變形小，粗加工后最大側(cè)彎變形在1mm之內(nèi)，最大翹曲變形為3mm，最大彎曲變形為1mm[3]。6加工工序設(shè)計(jì)以底面及兩工藝孔定位精加工零件內(nèi)外形，在此設(shè)計(jì)出比較簡潔的工序：
(1)粗銑底平面，留工藝余量2mm;
(2)制零件2個(gè)φ12H 9工藝孔;
(3)以一面兩孔定位粗銑零件內(nèi)外形(內(nèi)外形各留工藝余量2mm);
(4)校正底面，保證平面度1mm;
(5)加工零件底面，去除工藝余量2mm，零件底面到位;
(6)精銑零件內(nèi)外形。
編程中的注意事項(xiàng)
(1)設(shè)置每層最大切深，分層加工。此類鋁合金零件每層深度為3~5mm。
(2)設(shè)置拐角強(qiáng)制圓弧過渡。走刀軌跡不能存在直角和銳角。保證刀具切削過程的連續(xù)性和平穩(wěn)性。3為“High Speed Milling”開關(guān)打開/關(guān)閉的區(qū)別(圓角半徑1mm)。
(3)設(shè)置進(jìn)退刀宏指令。
高速銑環(huán)切時(shí)經(jīng)常使用螺旋進(jìn)刀的方式。螺旋進(jìn)刀即刀具的中心沿著一條螺旋線運(yùn)動(dòng)至零件的腹板表面的加工方式。這種方式減小了加工過程中零件對(duì)刀具的抗力，同時(shí)可以保證刀具的底刃在加工中能夠切除移動(dòng)軌跡上的零件材料。
退刀可采用軸向抬刀到安全平面或切向圓弧退刀方式。
加工質(zhì)量分析
(1)腹板彎曲變形比較小，平面度控制在0.3mm之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。
(2)尺寸精度在±0.2mm之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。
(3)表面粗糙度R a在3.2μm之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)尺寸要求。
(4)內(nèi)應(yīng)力比較小，熱表工序后平面度保持穩(wěn)定。
2種工藝方案對(duì)比
按照上述2種工藝方案，從生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量2個(gè)方面分析對(duì)比。
1生產(chǎn)效率對(duì)比
按照普通數(shù)控加工方案需要10個(gè)工藝過程才能完成，而高速銑加工僅用6個(gè)工藝過程;從工裝使用上看，普通數(shù)控加工需要3套工裝，而高速銑加工僅用1套工裝;從加工效率上看，高速銑切削時(shí)間遠(yuǎn)低于普通數(shù)控銑切削時(shí)間。
2產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比
2種方案加工的產(chǎn)品，質(zhì)量也有很大差異。從尺寸精度看，普通數(shù)控切削后零件尺寸精度在±0.3mm之內(nèi)，而高速切削后尺寸精度在±0.2mm之內(nèi);從表面粗糙度看，普通數(shù)控切削后R a在3.2~6.3μm之間，而高速切削后零件表面粗糙度R a在1.6~3.2μm之間。其差異的重要原因在于切削過程中產(chǎn)生的積屑瘤及鱗刺的影響。
積屑瘤對(duì)尺寸精度的影響
積屑瘤是指切削鋼、鋁合金等塑性金屬時(shí)，在切削速度不高，而又能形成帶狀切削的情況下，常常有一些從切屑和工件上來的金屬冷焊(粘結(jié))層積在前刀面上，形成硬度很高的楔塊，它能夠代替刀面和切削刃進(jìn)行切削，這一小塊稱為積屑瘤[2]。積屑瘤減低尺寸精度和增加已加工表面的粗糙度。切削速度不同，積屑瘤所能達(dá)到的最大尺寸也不同。
鱗刺對(duì)表面粗糙度的影響
鱗刺是在已加工表面上的鱗片狀毛刺。在較低及中等切削速度下用高速鋼、硬質(zhì)合金或陶瓷刀具切削常用塑性金屬都會(huì)產(chǎn)生鱗刺，順著切削方向、垂直于加工表面的鱗刺顯微剖面。鱗刺是獲得較小粗糙度表面的一大障礙。切削速度高，積屑瘤不再生成的情況下鱗刺的高度大大減小。可以獲得已加工表面粗糙度小至R z0.1~0.05μm。
今后工作方向
鋁合金模鍛件高速銑加工必將成為今后此類零件切削加工的重要手段，實(shí)現(xiàn)其工作的必要條件是零件結(jié)構(gòu)工藝性好、材料毛坯基準(zhǔn)穩(wěn)定、易于定位裝夾、無人工干預(yù)的高效數(shù)控加工程序。無人工干預(yù)的高效數(shù)控程序不能簡單地受技術(shù)人員的個(gè)體差異而影響，應(yīng)該按照機(jī)床及其使用刀具逐步建立并完善切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，保證所有技術(shù)人員的程序都能夠適應(yīng)機(jī)床的功率及扭矩的需要，同時(shí)要能夠最大程度地發(fā)揮機(jī)床的切削效率。
結(jié)論
通過對(duì)上述2種不同的切削方案進(jìn)行對(duì)比和分析，可以得出以下結(jié)論：高速數(shù)控銑切加工鋁合金模鍛類零件無論從生產(chǎn)效率方面還是產(chǎn)品質(zhì)量方面都有很大的提升，并且能夠節(jié)約生產(chǎn)成本。高速銑切加工鋁合金模鍛類零件的工藝方案是可行的，而且它是一種環(huán)保的綠色加工方式，具有一定的先進(jìn)性，值得在后續(xù)的生產(chǎn)中加以推廣使用。
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