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力臂調(diào)節(jié)器薄壁套筒螺旋導(dǎo)程槽加工改進(jìn)

2019-6-24 來源：中航工業(yè)貴陽萬江航空機(jī)電有限公司作者：汪奎

摘要：分析了薄壁套筒零件外圓螺旋槽的建模和加工方法。通過UG軟件與四軸聯(lián)動(dòng)加工中心的完美結(jié)合，為類似零件的數(shù)控加工提供了新的路徑與技巧。

1. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和加工難點(diǎn)

圖1所示產(chǎn)品為全晶體力臂調(diào)節(jié)器，主要功能是調(diào)節(jié)飛機(jī)機(jī)翼的水平平衡，用于多種機(jī)型的殲擊機(jī)和其他機(jī)種。組成產(chǎn)品的零部件及元器件中，薄壁套筒（見圖1b）是一個(gè)重要件，它裝在產(chǎn)品內(nèi)部，不外露。其外圓上的三處螺旋導(dǎo)程角是加工中的難點(diǎn)。

圖1 全晶體化力臂調(diào)節(jié)器

圖2 所示為該套筒的外形尺寸，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是： ①零件壁薄，最薄處尺寸僅為0 . 925 mm 。②外圓上沿 120 °方向均勻分布 3 處螺旋槽，槽寬為（10±0.008）m m，螺旋槽的導(dǎo) 程角是 26 °± 5 ′ ，根部R0.5 mm ，表面粗糙度值R a ＝0.4 μ m 。③薄壁外圓一端要插齒，模數(shù)m＝0.5，齒數(shù)z＝108，壓力角α＝20°，齒頂高系數(shù)ha*＝1，徑向間隙系數(shù)c*＝0.2，精度等級(jí)6h（GB 2363—2005）。④零件材料為30Cr Mn Si A（GJB 2609 — 1996 ），熱處理硬度 41～45H R C，表面處理鍍鉻5～8μm。

圖2 薄壁套筒外形尺寸

薄壁套筒的加工難點(diǎn)為：①薄壁件剛性較差，加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致表面質(zhì)量差，產(chǎn)生變形，不好保證精度。②薄壁件在外圓上插齒，插齒過程中產(chǎn)生的范成運(yùn)動(dòng)、切削運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致零件變形，齒輪精度不好保證，尤其是齒形誤差易受影響。③材料為30Cr Mn Si A，屬于中碳鋼，有較高的綜合機(jī)械性能，且熱處理硬度較高，加工中刀具磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率受到影響。

2. 傳統(tǒng)加工方法及缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的加工方法是做專用夾具在普通銑床上加工，圖3所示為專用銑床夾具，其加工原理是：把零件定位在夾具上并夾緊，手工搖動(dòng)夾具手柄，帶動(dòng)夾具的絲杠傳動(dòng)，零件的運(yùn)動(dòng)有兩種，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)向前移動(dòng)，套筒上的每一點(diǎn)都在進(jìn)行螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)。在每個(gè)完整的螺旋槽加工過程中，刀具只是固定地轉(zhuǎn)動(dòng)，不進(jìn)行坐標(biāo)移動(dòng)。

傳統(tǒng)加工的缺點(diǎn)為：①質(zhì)量不穩(wěn)定。螺旋槽的寬度尺寸取決于刀具的直徑，刀具直徑不合格或在加工過程中發(fā)生磨損會(huì)影響槽寬精度尺寸，加工中產(chǎn)生的顫動(dòng)容易導(dǎo)致表面質(zhì)量差。采用傳統(tǒng)的加工方法，尺寸精度最好只能達(dá)到±0.02m m，表面粗糙度值R a＝1.6～3.2μm，要達(dá)到最終設(shè)計(jì)要求，只能采用手工研磨拋光的方法。②刀具磨損嚴(yán)重。由于零件材料為30Cr Mn Si A淬火中碳結(jié)構(gòu)鋼，加工中刀具磨損嚴(yán)重，每加工8～12件零件就需更換刀具。由于刀具的直徑直接決定了槽寬的尺寸，通用刀具很難達(dá)到加工要求，這就需要準(zhǔn)備大量的專用刀具，不但刀具制造成本高，而且給管理和庫存帶來很大的麻煩。③廢品率和超差品率高。傳統(tǒng)加工的廢品率每批次約5 % ～ 8 % ，超差品率 1 2 % 。廢品率造成了較大的質(zhì)量損失，超差品率造成了較高的返工成本，一旦尺寸超差，只能通過鉗工拋光的方式進(jìn)行返工，加工效率低，返工成本高，每返工 1 件需要20m i n，增加了制造成本（小時(shí)費(fèi)用率）。

圖3 傳統(tǒng)加工專用銑床夾具

3. 毛坯類型和設(shè)備選擇

薄壁零件具有質(zhì)量輕、節(jié)約材料和結(jié)構(gòu)湊的優(yōu)良特點(diǎn) 。為了提高材料利用率，零件外形尺寸為f 55mm /f 45.05m m×103m m，毛坯采用管狀材料，尺寸為f 58mm /f40mm×105mm，材料利用率約55.6%。設(shè)備選擇CNC系統(tǒng)為Mazak的四軸聯(lián)動(dòng)加工中心FJV-250（見圖4），主要是考慮到該機(jī)床加工范圍較大，內(nèi)部功能較強(qiáng)，摒棄傳統(tǒng)銑床夾具的加工方式，通過一次裝夾自動(dòng)走刀實(shí)現(xiàn)三處螺旋槽的加工，此外，該設(shè)備還具有如下特點(diǎn)：①加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好，能加工輪廓形狀比較復(fù)雜或難以控制尺寸的零件，如本例中薄壁槽寬（10±0.008）m m 。②能用數(shù)學(xué)模型描述復(fù)雜的曲線零件及三維空間的曲面類零件，如本例中的三處空間螺旋槽的角向尺寸26°±5′。③加精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸一致性好以及減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以有效避免本例中刀具磨損后的槽返工周期及返工成本。

圖4 四軸聯(lián)動(dòng)加工中心

4. 模型的建立

齒槽寬三維模型的建立是比較關(guān)鍵的，也是UG編程中比較生僻的環(huán)節(jié)，對(duì)初學(xué)編程的人員來說有一定的難度。特別是纏繞曲線和掃掠成形，更是三維模型建立的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

（1）螺旋槽寬邊界線段的形成和纏繞曲線。坐標(biāo)原點(diǎn)移至端面截面的最頂點(diǎn)，在XOY平面內(nèi)沿X 向畫一條26°線并派生直線，生成寬度為10mm的兩條槽寬邊界線段。U G軟件插入→來自曲線集的曲線→纏繞/展開曲線。選擇曲線：兩條槽寬邊界線段（見圖5上面兩條曲線）；選擇面：圓柱體外圓柱面；指定平面：X O Y 平面（兩線段所在平面），確定并生成兩條沿圓柱體的纏繞曲線（見圖5下面兩條曲線）。

圖5　槽寬邊界線段的形成和纏繞曲線

（2）螺旋槽輪廓界面的建立及模型的形成。首先，要畫出掃掠界面。在端面頂點(diǎn)沿垂直于邊界線段構(gòu)成的平面內(nèi)畫對(duì)稱矩形界面，矩形的寬度為槽寬1 0 m m ，寬度方向只需保證高出圓柱頂面和低于內(nèi)孔頂面即可（便于掃掠后進(jìn)行布爾運(yùn)算）。其次，UG模型界面中插入/掃掠/掃掠→截面選擇曲線：端面界面框；引導(dǎo)線選擇曲線：選擇一條纏繞線；定位方法：選擇另一條曲線/點(diǎn)另一條纏繞線，確定并形成螺旋槽實(shí)體輪廓（見圖6）。

圖6　螺旋槽輪廓界面的建立及模型的形成

（3）陣列螺旋槽輪廓模型并布爾運(yùn)算形成螺旋槽。首先在端面截面均布陣列三處螺旋槽輪廓模型。用實(shí)例幾何體指令，類型選擇旋轉(zhuǎn)，選擇對(duì)象：點(diǎn)已生成的纏繞體；指定矢量：－XC（將坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)到端面中心，沿軸線方向的坐標(biāo)）；指定點(diǎn)：端面中心點(diǎn)；角度120°、副本數(shù)2。布爾運(yùn)算中的求差方法形成三處螺旋槽，再運(yùn)用建模、裁剪及布爾運(yùn)算補(bǔ)全其他部位（見圖7）。5. 刀具的選配刀具的選配主要考慮通用化和降成本。①普通A型f4mm鉆鉆中心孔，目的是為后續(xù)刀具進(jìn)行引導(dǎo)，防止刀具偏移，保證下刀點(diǎn)對(duì)整個(gè)外圓的對(duì)稱度。在加工中，刀具剛開始受工件力的影響很大，容易發(fā)生偏移，導(dǎo)致鉆孔時(shí)孔的誤差較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求公差范圍或起不到良好的引導(dǎo)作用，用A4中心鉆先預(yù)打一個(gè)小孔或凹槽，鉆頭的頭部沿著此小孔或凹槽鉆下去，保證四周受力均勻，減少誤差。②普通f 6mm鉆頭鉆孔，目的是在螺旋槽圓柱體外圓的最高點(diǎn)部分鉆出一個(gè)空間區(qū)域，為后續(xù)立銑刀粗加工創(chuàng)造出下刀的均勻受力空間區(qū)域。③通用立銑刀f 8mm粗銑槽，槽的最終尺寸是10mm，留2mm余量（單邊1mm）進(jìn)行最后精銑。④通用立銑刀f 3mm沿螺旋槽內(nèi)壁四周走一圈，精加工至最終尺寸。通過引導(dǎo)→鉆引導(dǎo)空間區(qū)域→粗加工→精加工步驟和精加工中移動(dòng)軌跡的閉路循環(huán)，完全可用通用銑刀代替專用刀具，既降低了成本，也避免了刀具損耗帶來的加工和返工困擾。

圖7　布爾運(yùn)算形成螺旋槽并補(bǔ)全其他部位

6. 程序的優(yōu)化

在保證質(zhì)量的前提條件下，追求高效率和避免動(dòng)作浪費(fèi)是企業(yè)生產(chǎn)改善的追求方向，本程序只需建立4個(gè)操作即可完成整個(gè)螺旋槽的加工。

（1）中心鉆引導(dǎo)操作（用鉆孔操作“DRILLING”）。這個(gè)操作的注意點(diǎn)是：防止中心鉆斷裂。中心鉆一般由高速鋼材料制成，鉆孔部位直徑比較小，實(shí)際加工中易折斷（數(shù)控加工過程中折斷是不易被發(fā)現(xiàn)的），加工中要加潤(rùn)滑液，利于切屑的排出，保證通暢不被卡住或折斷。進(jìn)給速度150m m/m i n，主軸轉(zhuǎn)速2 500r/min，切削速度200mm/min，逼近速度2 000mm/min，進(jìn)刀速度1000mm/min，移刀速度3 000mm/min。

（2）鉆出引導(dǎo)空間區(qū)域操作

（用鉆孔操作“DRILLING”）。

本操作很簡(jiǎn)單，其目的就是在銑刀下刀點(diǎn)鉆出一個(gè)f 6 mm孔的空間區(qū)域，保證銑削力度均勻。進(jìn)給速度 2 0 mm /min ，主軸轉(zhuǎn)速 2500 r / min ，切削速度 250mm / mi n ，逼近速度2 000m m/m i n，進(jìn)刀速度 1000 mm / min 、移刀速度4000mm/min。

（3）粗加工操作（用型腔銑“CAVITY_MILL”）。加工出整個(gè)螺旋槽的外形形狀，留少許余量最后成形。主軸轉(zhuǎn)速5 500r/m i n，切削速度1 800m m/m i n，逼近速度3 000mm/min，進(jìn)刀速度800mm/min，第一刀切削速度800m m/m i n，移刀速度5000m m/min。

（ 4）精加工操作（用平面銑“PLANAR_MILL”）。沿封閉的螺旋槽四周精加工一圈，完成整個(gè)螺旋槽的最終形狀尺寸要求。主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，切削速度2500mm/min，逼近速度3000 mm / min ，進(jìn)刀速度 1 200m m/min，第一刀切削速度 1200 mm / min ，移刀速度 5000mm/min。

程序的編制因個(gè)人的編程風(fēng)格和習(xí)慣不同，沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式。以上操作中的切削參數(shù)不是唯一的，僅供參考。

7. 加工結(jié)果

尺寸精度分布區(qū)域表

經(jīng)過多年的加工，零件質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸參數(shù)在規(guī)定的公差區(qū)間合理分布（見附表），外觀質(zhì)量美觀，可靠地解決了薄壁類套筒零件螺旋導(dǎo)程槽的加工和質(zhì)量問題，為該類零件的加工提供了新的方法和技巧。該類零件無論是軍用、民用還是應(yīng)用于其他領(lǐng)域，都很普遍。

8. 結(jié)語

該零件批量大，經(jīng)多年的加工驗(yàn)證，其尺寸精度、表面粗糙度、幾何誤差、生產(chǎn)效率和裝配性能在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上都得到很大的提升。對(duì)操作者的要求也不高，只需具備金屬切削加工基礎(chǔ)知識(shí)（如刀具材料、切削數(shù)據(jù)和冷卻方式等）和了解CNC數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式（如調(diào)試、刀補(bǔ)及程序調(diào)用等），即可自行建模、自行編程和自行加工。

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