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臥式五軸加工中心鈦合金件加工工藝的設(shè)計(jì)

2019-9-12 來(lái)源：上海新力機(jī)器廠作者：李超　路朝留　唐鴻雁　萬(wàn)齊訪　馮樊籬等

摘要：臥式五軸加工中心在鈦合金等難加工材料的高效加工具有明顯優(yōu)勢(shì)，而臥式五軸加工中心鈦合金件的工藝設(shè)計(jì)決定了加工效率和精度。文章針對(duì)鈦合金的航空結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)了臥式五軸加工中心的工藝，計(jì)算了該加工工藝的時(shí)間節(jié)拍，分析了該工藝的可行性，為后續(xù)鈦合金等難加工零件的生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：加工中心；鈦合金；工藝設(shè)計(jì)；航空結(jié)構(gòu)件

1、前言

鈦合金材料具有耐熱性很高，耐腐蝕性很好及強(qiáng)度極高的優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但鈦合金材料的加工難度是制約其在復(fù)雜零部件上的應(yīng)用的關(guān)鍵因素。圖1為臥式五軸加工中心示意圖，臥式五軸加工中心可較好地加工復(fù)雜的鈦合金零件，而加工中心的加工工藝決定了復(fù)雜鈦合金零件的精度和質(zhì)量。本文針對(duì)鈦合金的航空結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)了臥式五軸加工中心的工藝，檢查了在該工藝下加工的鈦合金零件的質(zhì)量，確保了該工藝的可行性，為后續(xù)鈦合金等難加工零件的生產(chǎn)提供參考。

圖1　臥式五軸加工中心示意圖

2、零件及工藝要求

2.1　零件介紹

零件的加工精度不僅取決于機(jī)床設(shè)備本身的性能，更取決于加工工藝安排是否合理規(guī)范。因未取得客戶實(shí)際零件圖紙、尺寸、模型、材料及加工要求等信息，以下加工方案及節(jié)拍估算。樣例零件為鈦合金連接頭，其毛坯件及成品圖如圖2所示。零件材料：鈦合金。毛坯外形尺寸：500mm×350mm×120mm （最小加工余量：5mm）。

圖2　鈦合金零件示意圖

2.2　工藝流程要求

圖3為一套成熟可靠的加工工藝方案制定流程，確保在滿足精度要求的前提下，提供優(yōu)質(zhì)可靠的工藝路線，為最終零件的加工精度提供強(qiáng)有力的保障。

圖3　加工工藝流程

借助已有的高精度高可靠性機(jī)床設(shè)備及優(yōu)質(zhì)高效工藝方案的獨(dú)特雙重優(yōu)勢(shì)，可為用戶帶來(lái)超高性價(jià)比的成套系統(tǒng)解決方案。臥式五軸加工中心配備車(chē)銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)的情況下，與傳統(tǒng)的加工工藝方案相比，生產(chǎn)效率可提升300%，無(wú)論在效率方面還是在加工精度方面，該加工方案都將有不可替代的優(yōu)勢(shì)。兩者對(duì)比示例圖如圖4所示。

圖4　工藝和效率對(duì)比圖

3、加工工藝設(shè)計(jì)

3.1　工藝方案

3.1.1　工序安排及裝夾形式

圖5為鈦合金零件的工序安排及裝夾形式。

3.1.2　CNC1上線工序

采用靠山（底面及粉色面，側(cè)邊設(shè)三個(gè)支撐點(diǎn)）方式粗定位，螺栓驅(qū)動(dòng)楔型塊壓緊（綠色面，兩點(diǎn) 驅(qū) 動(dòng) 夾緊）的方式裝夾（預(yù) 計(jì) 此裝夾用時(shí)5min），如圖6所示。

圖6　CNC1上線前的裝夾形式圖

將已裝夾好零件的托盤(pán)運(yùn)至上下料工作站（預(yù)計(jì)吊運(yùn)用時(shí)2min），托盤(pán)下端設(shè)有零點(diǎn)快換機(jī)構(gòu)，在很短的時(shí)間（預(yù)計(jì)3min）內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)托盤(pán)及零件的定位和緊固。托盤(pán)在上下料工作站完成裝夾后，由機(jī)器人、存儲(chǔ)架及工作臺(tái)交換機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成物料的運(yùn)送和暫存工作。該工序加工完成后，由機(jī)器人運(yùn)至上下料工作站，通過(guò)零點(diǎn)快換機(jī)構(gòu)，將零件隨托盤(pán)一同離線（預(yù)計(jì)用時(shí)3min），再在線下將零件從托盤(pán)上卸下（預(yù)計(jì)用時(shí)5min），以便為后續(xù)工作做準(zhǔn)備。CNC1上線裝夾和完成的加工特征如圖7 所示。

圖7　CNC1加工后示意圖

3.1.3　CNC2上線工序

零件經(jīng)CNC1工序加工并在線下拆卸后，同樣在線下為CNC2工序進(jìn)行二次裝夾準(zhǔn)備（預(yù)計(jì)用時(shí)5min）。亦擬采用CNC1工序類似的裝夾方式，如圖8所示。

圖8　CNC2上線前的裝夾形式圖

CNC2工序上線裝夾方式與前面相同，即通過(guò)零點(diǎn)快換機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝夾（預(yù)計(jì)用時(shí)5min）。托盤(pán)在上下料工作站完成裝夾后，由機(jī)器人、存儲(chǔ)架及工作臺(tái)交換機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成物料的運(yùn)送和暫存工作。

同樣地，為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的應(yīng)力變形情況，在CNC2工序所有粗加工完成后，可視實(shí)際需要增加去除應(yīng)力工序。待去應(yīng)力后再進(jìn)行最后的精加工。

精加工完成后，由機(jī)器人運(yùn)至上下料工作站，通過(guò)零點(diǎn)快換機(jī)構(gòu)，將零件隨托盤(pán)一同離線（預(yù)計(jì)用時(shí)3min），再在線下將零件從托盤(pán)上卸下（預(yù)計(jì)用時(shí)5min）后待入成品庫(kù)。CNC2工序加工完成的零件即為成品，如圖9所示。

圖9　CNC2加工后成品

3.2　加工節(jié)拍估算

由于鈦合金零件硬度高、韌性強(qiáng)，切削時(shí)發(fā)熱量大，考慮刀具的承受極限，其切削速度及進(jìn)給量低于同規(guī)格的鋼件或鋁合金件，故其切削效率亦低于鋼件或鋁合金件。

作以下加工節(jié)拍估算。現(xiàn)設(shè)定：?jiǎn)芜呑钚〖庸び嗔?mm；上下表面、側(cè)面及凹槽面表面粗糙度Ra6.3；內(nèi)孔粗糙度Ra3.2；尺寸精度IT7等級(jí)。

3.2.1　CNC1裝夾加工節(jié)拍

用模擬加工軟件分析計(jì)算，出于簡(jiǎn)潔篇幅考慮，已略去各工序具體設(shè)定參數(shù)及計(jì)算過(guò)程，表中僅列出最終計(jì)算時(shí)間，各工序時(shí)間含刀具更換時(shí)間，且其值為取整后的近似值。CNC1裝夾后各工序時(shí)間節(jié)拍如表1所示。

表1　CNC1裝夾加工節(jié)拍表

3.2.2　CNC2裝夾加工節(jié)拍

同樣用模擬加工軟件分析計(jì)算，CNC2裝夾后各工序時(shí)間節(jié)拍如表2所示。

表2　CNC2裝夾加工節(jié)拍表

4、結(jié)語(yǔ)

鈦合金材料是一種性能優(yōu)良的航空航天用材料。低成本鈦合金航空件的設(shè)計(jì)與加工工藝將從核心上解決鈦合金材料在航空航天領(lǐng)域的大規(guī)模使用問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了臥式五軸加工心的工藝，計(jì)算了該加工工藝的時(shí)間節(jié)拍，分析了該工藝的可行性，為后續(xù)航空航天用鈦合金等難加工零件的低成本、規(guī)模化生產(chǎn)提供參考。

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