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基于数控技术的多孔类复杂壳体高精密加工方法研究 |
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作者：海军装备部 戈和伟 来源：CMJ 中国机械与金属 |
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从航空液压壳体的结构特点、加工难点着手，阐述了通过数控加工技术保证液压壳体加工质量，提高加工效率的数控加工技术。
航空壳体零件加工难点分析
以某型号飞机的壳体为例，复杂的外形需要保证的尺寸近千余，纵横交错排列着各类孔近百个，孔与孔之间的位置关系非常复杂，需要通过不同的加工工艺完成零件的最终加工。因此，由于壳体零件复杂的结构设计，造成加工难点主要表现在以下几个方面：
外形结构复杂精度高
为了保证功能和零件自身需求，液压壳体类零件外形设计非常复杂，有些壳体设计既要承担油路分配又要完成部分驱动功能。因此各种型面之间的形状位置度要求高，如平面度、平行度、垂直度等往往要求达0.02mm。高精度的设计需求与零件的应力变形和加工效率形成矛盾，给机械加工造成非常大的难度，需要靠各种工艺手段去保证。
孔系相交关系复杂精度高
航空液压壳体零件对于液压油路控制非常严格，包含了绝大多数孔的类型：直孔、斜孔、相交孔、复合角度孔、台阶孔、沉孔、细长孔、异形孔等。按精度等级分：一般精度要求孔、高精度孔、形状位置要求精密孔系、精密柱塞孔系、标准堵头孔、异形电加工孔等。不同精度和功效的孔需要定制截然不同的工艺方法和加工手段。这些孔的直径范围跨度大，分布在Φ0.5mm至Φ120mm之间，其中孔径小于Φ5mm的孔径比多为1:30，如此深度的细长孔系已经远超出了标准刀具的加工范围。这些孔不仅要求精度高，而且相交关系复杂，除电火花沟通孔外，其余各孔有的是平面正交、斜交，有的是空间正交、斜交，有的同直径孔相交，也有不同直径孔相交。要想保证各孔的精度要求，加工顺序的安排就会受壳体结构的约束。某些加工部位的加工工艺性不好，需要采用特殊的刀具和加工方法来实现。
去除毛刺难度大
去除毛刺的工艺技术，通常在传统加工工艺中被忽略。但随着复杂壳体设计能力的提升和高精度设备的普及应用，去毛刺技术被越来越多的工艺技术人员所掌握。复杂的相交孔系毛刺往往用肉眼无法观测，液压壳体内如果存在加工残余物，对整个系统是致命的危害。这就需要借助于各种辅助工具和去毛刺工艺来完成。有时一道去毛刺工序就需要十余种工具。因此，如何有效去除相交孔毛刺，将成为保证壳体零件产品性能的一个关键点。
如上所述，如果在普通机床上按传统方式加工航空液压类壳体零件，一次定位装夹，仅可以加工一个型面或一个孔系，而且重复定位误差大，人为因素影响零件的质量的因素大，生产周期长和效率低，所以应将部分工作通过高精度的数控设备来完成。
图1 复杂壳孔体系
数控工艺方法及编程技术
数控工艺方法
加工数控化
壳体加工应尽量由数控设备来完成，对可以进行数控加工的部分再进行具体的分解，即根据各数控机床的加工精度、设备特点再进一步细化数控加工。如位置精度要求不高，但自身的形状、位置公差要求严格的孔、型面都可以在加工中心上完成。而相互之间有严格位置要求的孔系，型面可在精密数控机床上完成。同时为了减少精加工的余量，降低切削力对零件变形的影响，粗加工、半精加工可以由加工中心完成。
可靠的定位夹具
根据机床的加工特点及参照图纸的设计基准，选择零件的定位基准。定位基准的选择要能够实现快速、准确、可靠的定位。另外，所有数控机床的定位基准尽量选择同一基准，减少基准的转换的误差。根据定位基准的不同，可以把用同一定位基准加工的内容集中，并且根据已制定好的工艺，安排好加工顺序，即哪个定位基准所确定的加工内容可以先加工，哪个定位基准所确定的加工内容需要后加工。当然，中间可能也会存在同一定位基准的加工内容，由于图纸、工艺要求而分解加工的情况，但如果能够一次定位就能加工出来的部分，在以后的加工中精度不会被破坏也不影响其他的加工内容的，一定要在一次装夹中完成加工，减少装夹的次数。
高精度高效率的数控设备和刀具
航空液压壳体加工需要依靠高精度的设备来保证。不同数控设备的加工范围和功能，会直接影响工艺方案的编排。日新月异的刀具技术发展拓展了数控机床的加工范围，合理地选择应用数控刀具将给数控设备带来成倍增长的加工效果。
合理的数控加工工艺流程
高效复合型设备，改变了传统工艺流程的编排。复杂的壳体零件加工，传统工艺流程往往需要上百道工序，而现在已经简化到了只需划分大的加工阶段：粗加工—半精加工—精加工。
编程技术
零件加工质量与编程技术有直接的关系，因为一个程序的加工内容多，加工时间长，所包含的信息量就大，有刀具尺寸信息、加工坐标位置信息、坐标系的信息、加工参数信息、所加工部分的加工信息等等。
编程时应注意问题
1、在一次定位装夹中要尽可能完成较多的加工内容，而这些加工内容的所有尺寸都要在程序中表示出来，以明确加工部位，方便出现问题时查找。基于此，零件采用两孔、一平面为定位基准，正确安装后，在平面的中心与机床转台的中心重合。零件与机床位置关系是依靠夹具传递定位信息的，夹具上有各面加工的定位孔和一个找正孔。定位孔和找正孔的距离相当于定位孔到零件中心的距离。即零件安装在夹具上，通过拉直一面与轴的平行，保证找正孔与零件的中心是重合的，那么通过找正夹具中心，就能确定零件的中心。
复杂壳体地粗加工
2、编程基准：编程基准可以直接选用零件的中心为基准，也可以通过程序中的基准偏置实现需要的编程基准。一般情况下，编程基准应与图纸使用的基准一致，尤其是加工轴线与主轴平行的孔或与主轴垂直的型面，若因图纸特殊要求，基准不完全相同，那么就选择常用的基准。编程基准应保持与实际零件工件坐标系重合，尽量选择唯一坐标系，便于保证加工质量。
3、编程时应了解各种刀具的特性，了解各种加工材料的加工特性及适用的加工参数，明确每一种加工方法的特点、加工的精度、使用的场合。考虑到零件各部分的加工工艺，选择最佳的加工路线。编程时，尽可能考虑到加工中会出现的各种情况，能够预计到会出现的问题，并在编程前解决。
复杂壳体的精加工
编制程序时的技巧
1、加工不同的直孔、斜孔和复合孔系时，如果将孔系进行合理的分类，将同一基准的孔系按相近孔径进行分类加工将会给编程带来较大的便利。例如：可以将规格相同、加工方法相同、孔径接近的堵头孔合在一起加工。这样既可以提高效率，又可以避免编程基准数据输入错误。手工编程时，斜孔的编程基准是通过计算得到的，即根据图纸尺寸进行一次基准转换，是一个理论值，输入程序中和定位夹具、定位精度，一起来保证斜孔的位置正确。当然，随着高精度数控设备的普及应用，手工编程往往被数控系统的对话式编程方法代替，直孔可在模块化界面批量加工，斜孔可由系统中坐标系平移、旋转等模块实现。前置自动编程软件中建立一次加工坐标系，就可完成所有孔系的加工。
2、在加工外形，尤其是加工轮廓时，最好使用刀具半径补偿功能，这样的编程目的在于：一是程序中坐标尺寸与图纸相符，易于查找程序中每一处的加工位置。二是如果尺寸检测存在偏差，可以不修改程序，仅通过修改刀具的半径值，实现对零件外形修正。
3、铣加工轮廓时，遇到内圆角，进给量不能太大，因为刀具与零件在圆角处的接触面积最大，切削力增加，刀具容易折断。采用相同半径的钻头加工出圆角部分，再用铣刀加工接平圆弧，这样面接触成为线接触，切削力自然降下来。当然如果应用循环指令编程，转角减速和软件自动编程这种情况会大大减少。
4、对于加工对象重复出现的结构要素，或是规则分布的结构要素，如直线、圆周分布等，可以利用参数和条件判断语句实现程序循环，减少编程工作量。
5、编制程序时，在程序中加上说明语句。一是在对应于每个孔的位置坐标加上对应的孔号，便于在程序中查找位置，进行修改检查。二是程序中的选择性暂停，需要说明此处程序停止的原因，是检查刀具、换压板、清除铁屑还是测量尺寸。三是程序的开始加上说明本程序加工内容的语句，使操作者明确本程序的加工内容。
自动编程和虚拟仿真
自动编程软件种类繁多，图5、6是一个CATIA+Vericut实现壳体零件自动编程和虚拟加工环境仿真验证数控程序的图例。
CATIA环境
图6Vericut环境
去毛刺技术
液压壳体对相交孔内毛刺去除要求较高，某些部位必须按照图纸要求倒圆角，某些重要加工表面不能有划伤、碰伤等缺陷，密封环槽的毛刺往往会给产品性能带来巨大的影响，所以壳体零件的去毛刺工作量非常大。尤其应尽量减少机械加工产生毛刺的数量，尤其是对重要表面进行工艺方法上的控制。一来减少去毛刺的工作量，提高效率；另一方面降低人工去毛刺不小心损伤零件表面的可能性。
针对壳体加工产生的毛刺，可将其分为三类：一是外形毛刺；二是精密孔口毛刺；三是相交孔毛刺，并分别用不同的工艺方法处理：电化学去毛刺、热能去毛刺、超声波去毛刺、化学去毛刺、高压水喷射去毛刺、滚磨去毛刺等。
1、对于外形毛刺：刀具要锋利，尤其是半精加工、精加工的刀具。风动砂轮是以压缩空气为动力源，通过风动马达带动前端的主轴旋转。风动砂轮为笔式结构小巧轻便，可以根据需要实现抛光和去除零件尖边和毛刺的功能。
2、对于精密孔口毛刺：精密孔加工通常使用镗刀加工，产生的毛刺较小，镗刀是孔加工刀具中的最后一把刀，其原因在于前面刀具在加工中产生的粗大毛刺，尤其是铣刀可以用镗刀来清除和减少。当然，孔口毛刺仍需最终的抛光去除。
3、交叉孔毛刺是壳体毛刺最难以去除的，尤其是细长的油路孔在壳体内部交叉的翻边毛刺。手工去除相交孔毛刺，可借助球形打磨头。球形打磨头的前端为球形，整个球体分布多个切削刃，长度也可根据孔深和零件结构定制。主要用途是去除深孔、细孔和手工无法到达部位的棱边和毛刺，可以将棱边倒圆至任意R尺寸。
航空液压壳体零件外形复杂，孔系精密，通过充分利用高新设备的特点，优化数控化工艺流程，使加工效率大幅提升，加工质量得到了稳定控制，减少了传统工艺过程带来的人为质量因素的影响。通过应用先进的CATIA前置编程软件确保程序无误，利用Vericut虚拟加工环境确保程序轨迹的正确性，防止了碰撞，优化消除程序空切削。新型去毛刺工具带来了壳体零件工艺方法的彻底改变。
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(5/27/2011) |
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