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臥式五軸加工中心（xīn）鈦合金（jīn）件加工工藝的設計

2019-9-12 來源：上海新力（lì）機器廠作者：李超　路朝留　唐鴻雁　萬齊訪　馮樊籬等

摘要：臥式五軸加工中心在（zài）鈦合金等難加（jiā）工材料的高效加工具（jù）有明顯優勢，而臥式五軸（zhóu）加工（gōng）中心鈦合金件的工藝設計決定了加工效率和（hé）精度。文章針對鈦合（hé）金的航空結構件設計了臥（wò）式五（wǔ）軸加工中心（xīn）的工藝，計算了該加（jiā）工工藝的時間節（jiē）拍，分析了該工藝的可行性，為後續鈦（tài）合金等難加工零件的生產提供參考。

關鍵詞：加工（gōng）中心；鈦合金；工藝設計；航空結構件

1、前言

鈦合金材（cái）料具有耐熱性很高，耐腐蝕性很好及強度（dù）極高的優點，在航空領域得到廣泛應用，但鈦合金材（cái）料的加工難度是製約其在複雜零部件上的應用的關鍵因素。圖1為臥（wò）式五軸加工中心示意圖，臥式五軸加工中心（xīn）可（kě）較好地加工複雜的鈦合金零件，而加（jiā）工中心的加工工藝決定了複雜鈦合金零件的精度和質（zhì）量。本文針對鈦合（hé）金的航空結構件（jiàn）設計了臥式五軸加工中心的（de）工藝，檢查了在該工藝下加工的鈦合金零件的質量（liàng），確保了該工藝的可行性，為後續鈦合金等難加工（gōng）零件的生（shēng）產提供參考。

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（dù）不僅取決於機床設備本（běn）身（shēn）的性能，更取決於加工工藝安排（pái）是否（fǒu）合理規範。因未取得客（kè）戶實際零件圖紙、尺寸、模（mó）型、材料（liào）及加工（gōng）要求等信息，以下（xià）加工方（fāng）案及節拍估算。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（jiā）工餘（yú）量：5mm）。

圖2　鈦合金（jīn）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（fāng）案（àn）製定流程，確保在滿足精度要求的前提下，提（tí）供（gòng）優質可靠的工藝路線，為最（zuì）終零件的加工精度提供強有（yǒu）力的保障。

圖3　加工工藝流程（chéng）

借助已有的高（gāo）精度高可靠性（xìng）機床設備及優質高效工藝方案的獨特（tè）雙重優勢（shì），可為（wéi）用戶帶來超高性價比的成套係統解決方案。臥式五軸加工中心（xīn）配備車銑（xǐ）複（fù）合轉台的情況下，與傳統（tǒng）的加工工藝方案相（xiàng）比，生產效率（lǜ）可提升300%，無論在效率方麵還是在加工精度方麵，該加工方案都將有不可替代的優勢。兩者對（duì）比（bǐ）示例圖如圖4所示。

圖（tú）4　工藝和效率對比圖（tú）

3、加工工藝（yì）設（shè）計

3.1　工（gōng）藝方案

3.1.1　工（gōng）序安排及裝夾形式

圖5為鈦（tài）合（hé）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（底麵及（jí）粉色麵，側邊設三個支撐點）方式粗定位，螺栓驅動楔型塊壓緊（綠色麵，兩（liǎng）點驅動夾（jiá）緊）的方式裝夾（預計此裝夾用時5min），如（rú）圖6所示。

圖6　CNC1上線前的裝（zhuāng）夾形式圖

將已裝夾好零件的托盤運至上下料工（gōng）作站（預計吊運用時2min），托盤下端設有零點快換機構，在很短的時間（預計3min）內即（jí）可實現托盤及零件的定位和緊固。托盤在上下料工作站完成裝夾後，由機器人、存儲架及工作台交（jiāo）換機構自動完成物料的運（yùn）送和暫存工作。該工序加工（gōng）完成後，由機器人運至上下（xià）料工作站，通過零點快換機構，將零件隨（suí）托盤一同離線（預計用時3min），再在線下將零件從托盤上卸下（預計用時（shí）5min），以便為後續工作（zuò）做準備。CNC1上（shàng）線裝（zhuāng）夾和完成的加工特征如（rú）圖7 所示。

圖（tú）7　CNC1加工後示（shì）意圖

3.1.3　CNC2上線工序

零件經CNC1工序加工並在線下拆（chāi）卸後，同樣在線下為CNC2工序進（jìn）行二次裝夾準備（預計用時5min）。亦擬采用CNC1工（gōng）序類似的裝夾方式（shì），如圖8所示。

圖8　CNC2上線前的裝夾形式圖

CNC2工序上線（xiàn）裝夾方式與前（qián）麵相同，即（jí）通過零（líng）點快換機構來實現裝夾（預計（jì）用時5min）。托盤在上下料工作（zuò）站完成裝夾後，由機器人、存儲（chǔ）架及工作台交換（huàn）機構自（zì）動完成物料的運送和暫存工作。

同樣地，為應對可能出現的應力變形情況，在CNC2工序所有粗加工完成後，可視實（shí）際需要增加（jiā）去除應（yīng）力工序。待去應力後再進行最後的精加工（gōng）。

精加工完成後，由機器人運至上下料工作站，通過（guò）零點快換機構（gòu），將零件隨托（tuō）盤一同離線（預計用時3min），再在線下將零件從托盤上卸下（預計用時5min）後待（dài）入成品庫（kù）。CNC2工序加工完成的零件即為成（chéng）品，如圖9所（suǒ）示。

圖9　CNC2加工（gōng）後成品

3.2　加工節拍估算

由（yóu）於鈦合金零件硬度高、韌（rèn）性強，切削時（shí）發熱量大，考慮刀具（jù）的承受極限（xiàn），其切削速度及進給量低於同規（guī）格（gé）的鋼件或鋁合金件，故（gù）其切削（xuē）效率亦低於鋼件或鋁合金件。

作以下加工節拍估算。現設（shè）定：單邊最（zuì）小加工餘量5mm；上下表麵、側（cè）麵及凹槽麵表（biǎo）麵粗（cū）糙度Ra6.3；內孔粗糙度Ra3.2；尺寸精度IT7等級。

3.2.1　CNC1裝夾加（jiā）工節拍

用模擬加工軟件分（fèn）析計算，出於簡（jiǎn）潔篇（piān）幅考慮，已（yǐ）略去各工序具體設定參數及計算過程，表中僅（jǐn）列出最（zuì）終計算時間，各工序時間含刀具更換時間，且其值為取整後的近似值。CNC1裝夾後各工序時（shí）間節拍如表（biǎo）1所示。

表1　CNC1裝夾（jiá）加工節拍表

3.2.2　CNC2裝夾加工節拍

同樣用模擬加工軟件（jiàn）分析計算（suàn），CNC2裝夾後各工序（xù）時間節拍如表2所示。

表2　CNC2裝（zhuāng）夾（jiá）加工節拍表

4、結（jié）語

鈦合（hé）金材料是一（yī）種性能優良的（de）航空航天用材料。低成本鈦（tài）合金航空件的設計與加工工藝將從核心（xīn）上解（jiě）決鈦合金材料（liào）在航空航天領域的大規模（mó）使用問（wèn）題。本文設計了臥式（shì）五軸加工心的（de）工（gōng）藝，計算了該加工工藝的時間節拍，分析了該工藝的可行性，為後續航空航天用鈦合金等（děng）難加工零件的低（dī）成本、規模化生產提供（gòng）參考。

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