复杂异形零件的数控加工 / 四六文摘

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编者按

通过工程案例介绍了异形零件的结构特点和数控加工思路，以及该案例在四轴加工中心上的切削过程和编程要点，适用于单件和小批量异形零件的常规加工，具有一定的实用性。

1 序言

异形零件如果生产批量大，那么可以采用铸件、锻件或粉末冶金等成形方法，这样可以降低零件的制造成本，但是前期需投入大量的模具费用，且模具试制周期较长；如果生产批量小，或者产品处于开发过程中，不可能投入昂贵的模具进行成形加工，也没有时间等待，若使用3D增材打印法往往满足不了零件的机械性能要求，因此，实用可行的还是采用机械加工去除材料的方法。以往多采用普通设备加工，工序多，需要的夹具多，而且对操作人员的技能要求也高，结果导致产品开发周期漫长，开发成本高。

随着数控设备的发展和普及，可以充分发挥数控设备的优势，快速加工出复杂的异形零件。

2 异形零件加工工艺分析

图1所示异形联接体零件为某产品击发系统的关键零件，材料为2A12-T4铝合金。零件形状复杂，编程及加工难度大。

图1　异形联接体零件

该零件直接由铝棒加工成形，材料去除率高，工件容易产生变形。加工难点在于如何保证圆柱面和凸台间的圆弧面的圆柱度以及满足表面粗糙度要求。

工艺过程包括车、铣、去工艺头、车螺纹和铣槽。首先车异形件毛坯，然后在四轴立式加工中心上，采用一夹一顶的装夹方式，分粗铣、半精铣和精铣三步完成零件主要外形的加工，之后将工艺头铣去，数控车床双顶完成螺纹加工，最后铣槽，完成工件的加工。

3 车异形件毛坯

图2为异形件车序示意图，右端外圆阶梯台为工艺夹头，内孔加工至成品尺寸，其他部分单边留加工余量0.5mm。

图2　异形件车序示意

4 铣异形件成形

4.1　装夹并确定工件零点

图3为工件零点坐标图。工件装在第四轴上，右端用自定心卡盘夹紧，左端通过堵头、尾座用顶尖顶紧，用百分表分别打左右端小圆，通过调整或修整自定心卡盘，将百分表针跳动控制在0.1mm之内，最后把顶尖锁紧。

图3　工件零点坐标图

4.2　选择刀具并确定刀具切削参数

刀具选择说明：

1）粗铣选用大直径刀具。

2）精铣选用立铣刀。

3）φ6mm的硬质合金刀主要用于铣长槽R3.5mm。

4）刀具直径主要从工件的尺寸限制、金属去除率和刀具价格等3个方面综合考虑选择。

5）粗铣时切削参数遵循“浅切深、大切宽和多切快跑”的原则。

6）精铣时切削参数的选择主要依据工件的表面粗糙度要求，一般来说进给速度要低，吃刀量要大。

7）刀具的长度规格遵循“一寸长、一寸短”的相对论，刀具越短，刚性越高，切削越稳定。

根据以上原则，所选用的刀具规格及切削参数见表1。

4.3　UG8.0编程前的准备

（1）创建4个父节点　分别为创建程序（program）、创建刀具（tool）、创建几何体（geometry）和创建方法（method）。

（2）创建工序（操作）　①3轴2联动平面铣。②3轴2联动型腔铣。③3轴2联动固定轴曲面轮廓铣。④3～5轴联动可变轴曲面轮廓铣（多轴铣）。

（3）创建几何体（数模）策略　①依据平面图创建（调用）数模，注意平面图中双加或双减的尺寸，一般要修改数模到图样中差实际尺寸，这样便于操作者调整刀补值。②为便于刀路简洁，有些断续面需修改数模变成完整面。

4.4　粗铣外形

（1）创建工件几何零点（见图4）　一定要注意安全距离设定值，防止撞刀；机床坐标系设定一定要准确。

图4　创建工件几何零点

（2）粗铣型腔上、下部分（见图5）　首先选择“型腔铣”，该功能包含型腔铣的主要功能，一般用于粗加工；其次在型腔铣展开列表中选择“切削深度”功能，将切削深度“自动”改为“手动”，切削深度改为毛坯最大直径的1/2值。

a）粗铣型腔上部分

b）粗铣型腔下部分

图5　粗铣型腔上、下部分

（3）粗铣侧面部分（型腔铣上、下部分的剩余部分）（见图6）　面铣首先要指定切削区域，然后给出毛坯距离、每刀切削深度和最终底面余量。

图6　粗铣侧面部分

4.5　半精铣外形

（1）固定轴铣基本“六大刀路”　①面铣：表面、底面铣。②平面铣：内、外侧面铣。③型腔铣：内外腔的斜面铣，一般用于粗加工。④剩余铣：型腔铣后的半精加工，去除边角等余量。⑤深度轮廓铣：侧面等高铣，一般用于半精或精加工。⑥固定轴曲面轮廓铣：曲面的精铣。

（2）半精铣上、下部分和槽　半精铣时，留量0.25mm。非切削运动中进刀采用“沿形状斜线进刀，斜度5°”的方法。刀具为φ8mm粗铣刀，进给量t＝0.5mm/层，进给速度vf＝1000mm/min，转速n＝3000r/min。半精铣上、下部分选择“剩余铣”功能；半精铣槽（见图7）选择“平面铣”功能。

图7　半精铣槽

4.6　精铣外形

（1）精铣各部台阶侧面（见图8）　选择多轴铣（可变轴轮廓铣）功能。关键选项如下：①几何体为“各加工侧面”。②驱动方法为“流线”。③投影矢量为“朝向驱动体”。④刀具为“φ8mm立铣刀”。⑤刀轴为“远离直线”。

图8　精铣各部台阶侧面

为便于编程，图8中的两耳部断面被补平。投影矢量和刀轴有多种组合，上述为其中的一种，也表现出了四轴加工中心的加工特性。这样能很好地加工处理凸台的侧面和与圆弧的结合部。

（2）精铣各部圆弧面　同样选择多轴铣（可变轴轮廓铣）功能。①创建检查几何体（见图9）。一是为了防止刀具撞到卡盘和尾座；二是为了防止刀具铣伤各台阶的侧面。② 创建曲面驱动方法几何体。创建曲面及刀路如图10所示，曲面选择创建的圆柱外表面，切削方向选择箭头的水平方向。圆弧面由立铣刀底面包络而成，步距数越大，圆的圆度越高，表面粗糙度值越大；刀具直径越大，所需的布距数越少。投影矢量与刀轴的选择有多种，这里投影矢量为“刀轴”，刀轴为“远离直线”。