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空间角度的高精度斜孔加工工艺研究

来源: | 作者:大连机床厂 | 发布时间:2011/4/13 11:00:30

    本文介绍了大连机床厂在双金属材质上加工高精度斜孔的工艺方法和过程。综合采用“精铣+精磨抛光”加工、五轴车铣复合加工编程和数控加工虚拟仿真分析等技术和方法,在不需要专用钻模的情况下有效解决了在双金属材料上加工高精度斜孔的工艺难题。

  一、加工对象简介

  如图1所示,某复杂回转体组件,在为基体材质的6个棱柱面上,镶嵌了6个直径为18mm,高度为14mm 的(钽钨合金) 材质圆柱体。

  零件要求,同时穿过两种金属,加工出具有空间角度的6个高精度斜孔,斜孔与筒体轴向夹角为20°±10′,与筒体径向夹角为54°30′±10′,与棱柱面夹角为35°30′±10′,孔径为8±0.05mm,孔深为40mm(每两个相邻孔呈63.26°V 形相贯),孔中心位置度为0.1mm。

  镶嵌了圆柱体的6个棱柱面需要精加工至内接圆直径66±0.023mm,棱柱面与圆柱中心平面的对称度为0.025mm,平面度为0.01mm,表面粗糙度0.8μm。

  二、工艺难点

  在本案例中,圆柱体与基体采用压合而非熔焊的方式结合在一起,没有常规的熔融过渡区,因此在切削加工过程中,刀具同时切过两种不同材料时,由于材料特性的差异,在两种材料的分界处会产生加工粗糙度和尺寸的差异。根据试验,使用40mm 的硬质合金盘形铣刀加工6个棱柱面,圆柱的加工面将比棱柱面高出约0.05mm左右。总结起来,本案例中零件的主要工艺难点有以下几方面。

  (1)双金属材质的加工极为困难。具有显著的高温强化特性,若采用常规的切削加工,由于加工时刀具和工件摩擦发热,工件硬度迅速升高,导致后续加工困难。而基体材质为,加工硬度没有高,但材料韧性大,在低速条件下易粘刀。两种金属的加工性能差异极大,因此,既要保证高硬度、高强度的材料加工质量,又要保证工件的加工质量,合理地配置切削参数是关键。

  (2)空间角度的高精度斜孔加工,位置度和尺寸精度难以控制。

  (3)钻孔的深度超过5倍长径比,因此冷却和排屑都不易,且要穿过硬度不同的两种金属界面,直线度难以保证。

  (4)孔轴线与钻孔平面成35°30′±10′的狭小角度,在没有钻模的情况下,钻头单边受力易发生折断,难以保证 孔心位置度。

  三、工艺方案

  该组件属于回转体结构,斜孔在径向和轴向上都成一定角度,且孔的轴线与组件的轴线成相离的位置关系。由于是单件生产,从工件装夹和效率等因素考虑,应该选择具有五坐标控制功能的某型号车铣复合加工中心,利用其三爪卡盘和顶尖夹持工件,中心架起到辅助支承和减震作用。通过回转轴的分度功能,一次装夹即能完成对6个棱柱平面的加工。 同时,通过回转轴和轴的联动拟合,即可得到6个斜孔的轴向钻孔角度。五坐标车铣复合加工中心一次定位装夹,即可完成6个棱柱面和6个斜孔的精加工,不需要专门的工装夹具,加工精度能得到有效保证,效率高。

  某型号车铣复合加工中心主要工艺参数如下:最大车削直径为610mm,主轴中孔直径为112mm,轴角度范围-30°~210°可任意分度,C轴分度为0.001°,X轴行程是740mm,轴行程为410mm,Z轴行程为1838mm。

  根据理论分析,C轴的分度定位+B轴分度定位,能够组合出任意的空间角度,再加上Y轴的行程,就能够加工出任意空间角度的偏心斜孔。 

四、工艺措施

  1.双金属材质切削加工的工艺措施

  合理地控制切削参数,充分冷却是保证双金属正常加工的前提条件。e-410H 车铣复合加工中心能够同时提供外部冷却和中心内冷,能保证加工时刀具和工件都得到充分冷却。

  在试制加工过程中,通过不断调整切深,从0.01mm~2mm反复摸索,最终确定切深为1mm,切削速度为160m/s,切宽为20mm的加工条件下,能取得最理想的加工效果。

  2.高精度、高表面粗糙度加工的工艺措施

  产品要求加工后的平面对称度为0.025mm,平面度为0.01mm,表面粗糙度为0.8μm。通过工艺试验,采用“平铣+精磨抛光”的工艺手段,能保证产品加工质量。

  为了加工双金属材料,笔者重点调研了碳化硅和金刚石砂轮,并对砂轮不同硬度和粒度的加工情况进行了对比分析,选用M和P两种型号的碳化硅砂轮进行工艺试验,最终确定P型号,200目粒度的碳化硅砂轮能取得最理想的加工效果。

  3.深孔加工的工艺措施

  钻孔过程中,由于刀具直径为7.8mm,刀具悬伸长度大于50mm,长径比在6倍以上,极易发生刀具断裂。因此,采用深孔钻削的工艺方法,每次进给深度不超过5mm,然后退刀至安全平面,既起到排屑的作用,又让刀具充分冷却。在加工过程中,刀具不会因高温和切屑的干扰而发生断裂和烧 死现象,确保加工成功。

  在加工过程中还采取了以下措施:

  ①采用6mm球头铣刀,在垂直于斜面的方向上,铣出凹槽,将工艺允许范围内的多余材料去掉;

  ② 采用7.8mm 的平底锪钻在6 个平面上相对刀轴方向锪出钻孔的下刀平面;

  ③ 采用7.8mm 的麻花钻加工底孔;

  ④ 采用8H9160mm 铰刀铰孔到8±0.05mm。

  4.X 、Y、Z、B和C五轴联动的编程措施

  斜孔与机床坐标系的YOZ平面呈35.5°,与XOZ 平面呈20°的空间角度。采用局部坐标系和全局坐标系变换策略,程序的位置点由全局坐标系控制,刀轴方向与局部坐标系Z轴方向重合,刀具轴向由局部坐标系的I、J和K分量进行精确控制,在进给和退刀时,X、Y、Z、B和C轴联动,确保刀轴正确。

  为了保证加工过程安全,还应对数据程序采用Vericut软件进行加工模拟仿真,以检查程序和正确性,如图2所示。

  通过以上措施,该零件一次加工成功,解决了在双金属材质上加工高精度斜孔的工艺难题。

  五、结语

  在进行该组件加工之前,笔者与业内人士进行了广泛讨论和交流,多数人都认为风险极大,很难成功。确定了加工方案后,特别是借助Vericut 软件进行加工虚拟仿真分析,采用了“精铣+精磨抛光”加工等手段,终于解决了在双金属材料上加工高精度斜孔的工艺难题。总结起来,最关键的有两条。

  (1)合理地控制切削参数,充分冷却是保证工件正常加工的前提条件。针对的双金属材料,设定切深为1mm,切削速度为160m/s,切宽为20mm的条件,就能取得最理想的加工效果。

  (2)针对斜面孔加工,必须采用特殊的工艺方法,先在斜面上加工出孔轴法向的小平面,是能够成功加工出孔的关键。根据加工过程中刀具的受力分析,采用有效的加工工艺参数,才能确保加工成功。

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