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力臂調節器薄壁套筒螺旋導（dǎo）程槽加工改進

2019-6-24 來源：中航工業貴陽萬江航空機電有限公司作者：汪奎

摘要：分析了薄壁套筒零件（jiàn）外圓螺（luó）旋槽的建模和加工方法。通過UG軟件（jiàn）與四軸聯動加工中心的完美結（jié）合，為類（lèi）似零件的（de）數控加工提供了（le）新的路徑與技巧。

1. 產品結構和加（jiā）工（gōng）難點

圖1所示產品為全晶體（tǐ）力臂調節（jiē）器，主要功能是調（diào）節（jiē）飛機機翼的水平平衡，用（yòng）於多種機型的殲擊機和其他機種。組成產品的零部件及元器件中，薄（báo）壁套筒（見圖1b）是一個重要件，它裝在產品（pǐn）內部，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（bì）調節器

圖2 所示為該（gāi）套筒（tǒng）的外形尺（chǐ）寸，其結構（gòu）特點（diǎn）是： ①零件壁薄，最薄處（chù）尺寸僅（jǐn）為（wéi）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（de）導程角是 26 °± 5 ′ ，根部R0.5 mm ，表麵（miàn）粗糙度值R a ＝0.4 μ m 。③薄壁外圓一（yī）端要插齒，模數（shù）m＝0.5，齒數z＝108，壓力角（jiǎo）α＝20°，齒頂高係數（shù）ha*＝1，徑（jìng）向間隙係數c*＝0.2，精度等級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，表麵處理鍍鉻5～8μm。

圖2 薄壁套筒外形尺寸（cùn）

薄壁套筒的加工難點為：①薄壁件剛性較差，加工過程中產生的振動導致表麵質量差，產生變形，不好保證精度。②薄壁件在外圓上插齒，插齒（chǐ）過程中產生的範（fàn）成運動、切削運動和進給運動容易導致零件變形，齒輪精度不好保證，尤其（qí）是齒形誤差易受（shòu）影響。③材料（liào）為30Cr Mn Si A，屬於中碳（tàn）鋼，有較高的綜合機械性（xìng）能，且熱處理硬度（dù）較高，加工中刀具磨損嚴重，生產效率受到影響。

2. 傳統加工方法及缺點

傳（chuán）統（tǒng）的加工方法是做專（zhuān）用夾具在普通銑床上加工，圖3所示為專用銑床夾具，其加（jiā）工原理是：把零件定位在夾具上並夾緊，手工搖動夾具手（shǒu）柄，帶（dài）動夾（jiá）具的絲杠傳動（dòng），零件的運動有（yǒu）兩種，在轉動的（de）同（tóng）時向前移動，套筒上的每一點都（dōu）在進（jìn）行螺旋轉（zhuǎn）動。在每個（gè）完整的螺旋（xuán）槽加工過（guò）程中，刀具隻是固（gù）定（dìng）地轉動，不進行坐標移動。

傳統加工的缺點為：①質量不穩定。螺旋槽的寬度（dù）尺（chǐ）寸取決（jué）於刀具的直（zhí）徑，刀具直徑（jìng）不合格或在加工過程中發生磨損會（huì）影響槽寬精度尺寸，加工中產生的顫動容易導致表麵質量差。采用傳統的加工方法（fǎ），尺寸精（jīng）度最好隻能達到±0.02m m，表（biǎo）麵粗糙度值R a＝1.6～3.2μm，要達到最終（zhōng）設計要求，隻能采用手工（gōng）研磨拋光的方（fāng）法。②刀具磨（mó）損嚴重。由於零件材料為30Cr Mn Si A淬火中（zhōng）碳結構鋼，加工中刀具磨損嚴重，每加（jiā）工8～12件零件就需更換刀（dāo）具。由於刀具（jù）的直徑直接決定了槽寬的（de）尺（chǐ）寸，通用刀具很難達到加工要求，這就需要準備大（dà）量（liàng）的（de）專用刀具，不但刀具製造成本高，而且給管理和庫（kù）存帶來很大的麻（má）煩。③廢品率和（hé）超差品率高（gāo）。傳統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（jiào）大的質量損（sǔn）失，超差（chà）品率造成了較高的返工成本，一旦（dàn）尺寸超差，隻能通過鉗工拋光的方式進行返工，加工效率低（dī），返工成本高（gāo），每返工 1 件（jiàn）需要20m i n，增加了製造成本（小時費用（yòng）率）。

圖3 傳統（tǒng）加（jiā）工專用銑床夾具

3. 毛坯（pī）類型和設備選擇

薄壁（bì）零（líng）件具有質量輕、節約材料和結構湊的優良特點。為（wéi）了提（tí）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（guǎn）狀材料，尺寸為f 58mm /f40mm×105mm，材料利用率約（yuē）55.6%。設備選擇CNC係統為Mazak的四軸聯動加工中心FJV-250（見圖4），主要是考慮到該機床加工範圍較大，內部功能較強（qiáng），摒棄傳統銑床夾具的加（jiā）工方式，通過一（yī）次裝夾自動走刀實現（xiàn）三處螺旋槽的加工，此（cǐ）外，該設備還（hái）具有（yǒu）如下特（tè）點：①加工的適應性強、靈活性好，能加工輪廓形狀比較複雜或難以控製尺（chǐ）寸（cùn）的零件，如本例中薄壁槽寬（10±0.008）m m 。②能用數學模型描述複雜的曲線零件及三（sān）維空間的曲麵類零件，如本例中的三處空（kōng）間（jiān）螺旋槽的角向尺寸26°±5′。③加精度（dù）高，加工質量穩定，尺寸一致性好以及減輕操作者的（de）勞動強度，可以有效避免（miǎn）本例中刀具磨損（sǔn）後的槽返工周期及返工（gōng）成本。

圖4 四軸聯動（dòng）加工（gōng）中心

4. 模型（xíng）的建立

齒槽寬三維模型的（de）建立是比（bǐ）較（jiào）關鍵的，也是UG編程中比較生僻（pì）的環節，對初（chū）學編程的人員來說有一定的難（nán）度。特別是纏繞（rào）曲線和掃掠成形，更是三維模型建立的（de）難點和重點。

（1）螺旋槽寬邊界線段的形成和纏繞曲線。坐標原點移至端麵截麵的最頂點，在XOY平麵內沿X 向畫一條26°線並派生直線，生成（chéng）寬度為10mm的兩條槽寬（kuān）邊界線段。U G軟件（jiàn）插入→來自曲（qǔ）線集的曲線→纏繞（rào）/展開曲線。選擇（zé）曲（qǔ）線：兩條槽寬邊界線段（見圖5上麵（miàn）兩條曲線）；選擇麵：圓柱體外圓柱麵；指定平麵：X O Y 平麵（兩線段所在平麵），確定並生成兩條沿圓柱體的纏繞曲（qǔ）線（見圖5下麵兩條曲線）。

圖5　槽寬邊界線段的（de）形（xíng）成和纏繞曲線

（2）螺旋（xuán）槽（cáo）輪廓界麵的建立及模型（xíng）的形成。首先（xiān），要畫出掃掠界麵。在端麵頂（dǐng）點沿垂直於邊界線段構成的平麵內畫對稱矩形界麵（miàn），矩形的寬度為槽（cáo）寬1 0 m m ，寬度方向隻需保（bǎo）證高出圓柱頂麵和低於內孔頂（dǐng）麵即可（便於掃掠後進行布爾運算（suàn））。其次，UG模型界麵中插入/掃掠/掃（sǎo）掠→截麵選擇曲線：端麵界麵框；引導線選擇曲線：選擇一條纏繞線；定位方（fāng）法：選擇另一條曲線/點另一條纏（chán）繞線，確定（dìng）並形成螺旋槽實體輪（lún）廓（見圖6）。

圖6　螺旋槽輪廓界麵的（de）建立及模型的形（xíng）成

（3）陣列螺（luó）旋槽輪廓模型並布爾運算形成螺旋槽。首先在端麵截麵均布陣列三處螺旋槽輪廓模型。用實例幾何體指令，類型選擇旋轉（zhuǎn），選擇對象：點已生成的纏繞體；指定矢量：－XC（將坐標原點移動到端麵中（zhōng）心（xīn），沿軸線方向的坐標）；指定點（diǎn）：端麵中心點；角度120°、副本數2。布爾運算中的求差方法形成（chéng）三處螺旋槽，再（zài）運（yùn）用建模、裁剪及布爾運算（suàn）補全其他部位（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鑽鑽中心孔，目的（de）是為後續刀具進行引導，防止刀具偏移，保證下刀（dāo）點對整個外圓的對稱度。在加工中，刀具剛開始受工件力的影響（xiǎng）很大，容易發生偏移，導致鑽孔時孔的誤差較大，達不到設計要求公差範圍或起不到良好的引導作用，用A4中心鑽先預打一個小孔或凹（āo）槽，鑽頭的頭部沿（yán）著此小孔或凹槽鑽下去，保證四周（zhōu）受力（lì）均勻，減少誤差。②普通f 6mm鑽頭鑽孔，目的是在螺旋槽圓柱體外圓的最高點部分鑽出一個空間區域（yù），為後續立銑刀粗加工創造出下刀的均勻受力空（kōng）間區域（yù）。③通用立銑刀（dāo）f 8mm粗銑槽，槽的最終尺寸是10mm，留2mm餘量（單邊1mm）進行最後精銑。④通用立銑刀f 3mm沿螺旋槽內壁四周走一（yī）圈，精加（jiā）工（gōng）至最終（zhōng）尺寸。通過引導→鑽（zuàn）引導空間區域→粗加工→精（jīng）加工步驟和（hé）精加工中移動軌（guǐ）跡的閉路循環，完全可（kě）用通用銑刀代替專（zhuān）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（kùn）擾。

圖7　布爾運算形成螺旋槽並補全其他部位（wèi）

6. 程序的優（yōu）化

在保證質量的（de）前提條（tiáo）件下，追求（qiú）高效率和避免（miǎn）動作浪費是企業生產改善的追求方向（xiàng），本（běn）程序隻需建（jiàn）立4個操作即可完成整個螺旋槽的加工。

（1）中心鑽引導操作（用鑽孔操作“DRILLING”）。這個操（cāo）作的注意點是：防（fáng）止中心鑽斷裂。中心鑽一般由高速鋼材料製（zhì）成（chéng），鑽孔部位直徑比較小，實際加工中易折斷（數控加工過程中折斷是不易被發現的），加工中要加潤滑液，利於切屑的排出，保證通暢不被卡住或折斷。進給速度150m m/m i n，主（zhǔ）軸轉速2 500r/min，切削速度200mm/min，逼近速度2 000mm/min，進刀（dāo）速度（dù）1000mm/min，移刀速度3 000mm/min。

（2）鑽出引導空間區域操作

（用鑽孔操作“DRILLING”）。

本操作很簡單，其目的就是在銑刀下刀（dāo）點鑽出一個f 6 mm孔的空間區域，保證銑削力度均勻。進給速度 2 0 mm /min ，主軸轉速 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（yòng）型（xíng）腔銑“CAVITY_MILL”）。加工出整個螺（luó）旋槽的外形形狀，留少許餘量最後成形。主軸（zhóu）轉速5 500r/m i n，切削（xuē）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（dāo）切削速度800m m/m i n，移刀速度5000m m/min。

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

程序的編製因個人的編程風格和習慣不同，沒有（yǒu）一個標準模（mó）式。以上操作中的切削參數不是唯一的，僅供參考。

7. 加工結果

尺寸精度分布區域表

經過（guò）多年的加工，零件質量穩（wěn）定，尺寸參數在規定的公差區間合理分布（見附表），外觀質量美（měi）觀，可靠地解決了薄壁類套筒零件螺旋導程槽的加工和質量問題，為該類零件的加工提供了新的方法和技巧（qiǎo）。該類零件無論是軍（jun1）用、民用還是應用於其他領域，都很普遍。

8. 結語

該零件批量大，經多年的加工驗證，其尺寸精度、表麵粗糙度、幾何誤差、生產效率和裝配性能在傳統的基（jī）礎上（shàng）都得到很大（dà）的提升。對操作者的要求也不高，隻需具（jù）備金屬切削加（jiā）工基礎知識（如刀具材料、切削數據和冷卻（què）方式等）和了解CNC數控係統的構成（chéng）和工作方式（如調試、刀補及程序調用等），即可自行建模、自行編（biān）程和自行加工。

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