整体数控加工工艺研究 本文关键词：数控，加工工艺，研究
整体数控加工工艺研究 本文简介：摘要:通过对某型号舱段复杂环框类工件的整体数控加工工艺方案的研究、专用装夹工装的设计、数控加工编程技术及虚拟仿真技术的应用，突破了复杂环框类工件易变形、难加工的技术瓶颈。经过数控加工车间的实际生产验证，上述关键技术有效地保证了产品的加工精度及产品质量的稳定性，实现了复杂环框类产品的高精高效加工，也为
整体数控加工工艺研究 本文内容：
摘要:通过对某型号舱段复杂环框类工件的整体数控加工工艺方案的研究、专用装夹工装的设计、数控加工编程技术及虚拟仿真技术的应用，突破了复杂环框类工件易变形、难加工的技术瓶颈。经过数控加工车间的实际生产验证，上述关键技术有效地保证了产品的加工精度及产品质量的稳定性，实现了复杂环框类产品的高精高效加工，也为其他同类型产品的加工提供了宝贵的经验和值得借鉴的方法。
关键词:整体数控加工工艺方案;专用装夹工装;数控加工及编程方法;虚拟仿真技术
某型号舱体由骨架和蒙皮螺接或铆接而成。其中位于前后端的环框类工件是该舱体骨架的重要组成部分，也是连接前后其他舱段的关键连接件。由于该环框类工件的圆度、平面度等形位公差和连接特征的尺寸精度直接影响着舱体与前后舱段的连接准确性，因此工件对形位公差和尺寸精度的要求极高，且该环框类工件的内部加工特征较多、结构较为复杂，这就使该类工件的加工具有一定的技术难度，也对该类工件在数控加工中的变形控制、装夹工装及定位方式的设计、数控加工程序的编制及数控程序的仿真等提出了更高的要求。
1产品简介
环框类工件产品外径1000mm，内径932mm，总高63mm，壁厚6mm，工件一侧分布有88处下陷，侧壁及端面均分布有连接孔。工件对形位公差和连接孔的尺寸精度要求较高，其中圆度要求≤0．4mm，平面度要求≤0．2mm，侧壁分布的44个8．2H9连接销孔的定位尺寸要求为14+0．10mm，工件的具体结构及尺寸如图1所示。
2整体数控加工工艺方案的设计与研究
产品采用7050的铝环整体机械加工而成，由于内形分布有88处下陷且最终壁厚仅为6mm，因此产品在加工过程中加工余量较大，金属材料去除率较高，极易产生由于应力释放而引起的变形，从而导致工件的形位公差和尺寸精度难以满足极为严格的公差要求，因此在制定加工工艺方案时，需通过采用划分加工阶段、合理分配加工余量、适当安排热处理工序位置等工艺措施，提早释放应力，预防可能会出现的变形。在充分考虑了加工工序安排的合理性、车、铣工序加工余量的控制以及热处理时机，最终确定出更有利于变形控制的整体数控加工工艺方案，如图2所示。将加工阶段划分为粗、精加工，粗加工时预留3mm加工余量，并尽可能保证余量均匀，以有效控制精加工工序中产生的变形。此外由于在粗加工阶段，需要去除大部分金属余量，因而产生的加工应力比较大，为了消除加工应力引起的变形，在粗加工后精加工以前，安排消除应力的自然时效工序(温度:140±5℃，时间:≥4h，冷却方式:空冷)，工件内的使大部分加工残余应力得到释放，为最终精加工控制变形做出保障。在环框的车加工阶段，采用多次装夹、逐层切削的方式对变形进行控制。尤其是在最后的精车阶段，为减小变形，应每去1mm余量将压板松一下，使工件自由恢复到原状，逐步释放应力，以有效控制车加工后的环框变形情况，环框逐层切削的精车过程如图3所示。在环框的铣加工阶段，通过数控程序严格控制切削用量，编制程序时选择合适的分层方式，并对每层的加工深度进行严格控制。通过将背吃刀量控制到合理范围，以减小切削力和切削热引起的工件变形。
3装夹工装的设计与研究
针对该类复杂的环框工件，研究设计了一种专用的装夹工装，该装夹工装不仅用于工件在BOKE五轴铣床上的装夹定位，同时还可以箍圆工件，增加工件的结构刚性，进一步抑制工件的变形，同时减小工件的过程变形量对最终精加工阶段的影响。在工装胎具材料的选用上，为了增加工装的刚性，选择不锈钢作为材料。在工装结构的设计上，将工装的总高设计为100mm，用以将工件垫高，防止机床的角铣头在加工环框类工件下部特征时与机床工作台台面发生干涉。同时利用环框类工件的内孔及内台阶面作为配合基准面进行工件在工装上的定位，安装时将环框类工件的内孔及内台阶面与工装的外壁及上端面进行紧密贴合，这样就能使工装有效地箍圆并定位工件。同时在工装的上端面设有12个压板用以将工件压紧在工装上，并在工装外侧设计有直径为1100mm的基座用以压板的装压。此外，在工装内侧钻制与工件侧壁连接孔相同孔位的引刀孔，方便钻头通过工装对工件进行数控打孔。最终设计的专用装夹工装的结构如图4所示，工装与工件的配合如图5所示。在环框类工件装入专用装夹工装的过程中，为了避免由于压紧力引起的工件弹性变形和定位变动，在装胎过程中需用千分表进行打表找正，在压紧压板的同时对工件的装夹变形量进行时时检测。在工件夹紧过程中，各个压板的紧固螺钉的拧紧力矩要均匀。以避免装夹过程中工件产生扭曲变形，并通过不断地调整工装及打表找正，保证工件圆度在0．1mm以内，工件母线直线度在0．1mm以内，以实现产品在工装上的准确装夹。
4数控加工编程技术研究
由于环框类工件内形下陷特征两侧的斜筋是向心的，且下陷底面为弧面，因此在环框类工件内形下陷的加工过程中，刀轴方向需始终保持向心，因此在编制数控程序时，应采用UG加工模块中的“可变轴轮廓铣”模式进行编程。在刀具的选择上，粗铣时由于刀具需要大余量去除，所承受的切削力较大，如果刀具直径较小，就会导致刚度不足产生振刀，且加工起来较为费时，难以获得较高的加工效率。因此在粗铣下陷时应该选择大直径的刀具进行粗开，在此选用20mm铣刀。在精铣下陷时再根据下陷的圆角特征选择10mm铣刀进行精铣。之后进行数控程序的编制。在参数的设置上，选择“边界”驱动方法(边界选择下陷轮廓的四边)，刀轴方向设为“朝向直线”(朝向的直线选为环框类工件的轴心)，切削模式设为“往复”，刀路方向设为“向外”，切削方向设为“顺铣”，刀具平直百分比设为“40%”。在粗加工时，需要分多层进行加工，并需预留3mm加工余量。因此在切削参数的设置上，将“余量”中的“部件余量”设为3mm，并选择“多刀路”中的“多重深度切削”，将“部件余量偏置”(即下陷的深度)设为25mm，将“增量”(即每层的切削深度)设为5mm。编程参数的设置如图6所示。然后生成刀路，生成的粗加工刀路如图7所示。在精铣内形下陷时，将“余量”中的“部件余量”设为0mm，并不再勾选“多刀路”中的“多重深度切削”模式，接着生成精加工刀路，最终生成的精加工刀路如图8所示。最后选择相应的五轴BOKE机床的后处理生成数控加工程序。
5虚拟仿真技术研究
利用VERICUT仿真软件对编制的数控程序进行仿真验证，对加工结果(即过切、残留等问题)做出提前判断，使仿真系统充分发挥其加工纠错的作用，以确保环环框类工件的加工准确性和可靠性。虚拟仿真过程如下:(1)将机床、毛坯及设计模型导入到VERICUT软件中。在项目树的“机床”项目中导入BE3机床模型，在项目树的“设计”项目中导入环框类工件的设计模型design_model，并在项目树的“stock”项目中导入毛坯模型stock_model。(2)设置加工坐标系。在项目树的“坐标系统”中，建立一个“G54”的加工坐标系，并将坐标系附着到机床基点。(3)设置G代码。在项目树的“G代码偏置”中，新建一个“工作偏置”。将“子系统名”设为“1”，“寄存器”设为“54”，“子寄存器”设为1，并将“选择从/到定位”设为“从组件B轴到坐标原点G54”。(4)设置刀具。在项目树的“加工刀具”中，创建刀具库文件“TOOL”，并在刀具库文件中创建粗加工和精加工使用的刀具如20mm铣刀和10mm铣刀，同时选择“自动装夹”和“自动对刀点”。(5)导入数控程序并运行程序。在项目树的“数控程序”项目中，导入在UG软件中编制并后处理完成的数控加工程序，并在窗口右下角单击play按钮，开始运行程序。程序运行过程如图9所示。(6)程序运行完成后进行切削模型和设计模型的分析比对。待程序运行完成后，在菜单栏的“分析”项目中选择“自动比较”命令，设置“比较类型”为“过切和残留”，并将“过切检查精度”和“残留检查精度”设置为“0．01”，选择“red”标明过切部位，“blue”标明残留部位。参数设置如图10所示。然后选择“比较”，将切削模型和设计模型进行分析比对，待分析比较完成后，显示出是否存在“残留”或“过切”，并定位出具体的残留和过切部位，并选择“报告”，将比较结果生成自动比较报告。比较报告如图11所示。如果比较结果显示出存在过切或残留部位，则需对相应的程序进行修改，然后再次运行程序并再次分析比较，直到没有过切或残留为止，仿真过程结束。
6结语
通过对某型号舱段复杂环框类工件的结构特征和加工工艺性进行分析和研究，制定了防止复杂环框类工件变形的整体数控加工工艺方案并设计了相应的专用装夹工装以进一步抑制变形，同时研究了环框类工件的数控加工及编程方法并通过虚拟仿真技术规避加工风险、确保加工过程可控，达到了控制产品形位公差和尺寸精度的目的，实现了环框类工件的高精高效数控加工。经过数控加工车间的实际生产验证，该项整体数控加工技术应用成熟、效果显著，有效的保证了产品的加工精度和质量稳定性，也为其他同类型产品的加工提供了宝贵的经验和值得借鉴的方法。
参考文献
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作者：杨洋 张亮 刘彩军 杨立乐 熊良钊 单位：首都航天机械有限公司
整体数控加工工艺研究 来源：网络整理
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