某型壳体数控加工编程与仿真_黄鹿.pdf

2023年 第5期 冷加工87智能制造 Intelligent Manufacturing某型壳体数控加工编程与仿真黄鹿，张光彦，魏沫晗，彭晖杰，华峰，张然航空工业金城南京机电液压工程研究中心江苏南京211106摘要：针对某型壳体零件加工过程中出现的零件变形与装夹问题，通过设置合理工艺凸台、制作工装夹具，利用NX/CAM功能对该零件的数控加工进行编程，并用虚拟仿真软件对其加工程序进行了仿真验证，解决了该零件的变形问题，为其他类似零件的加工提供一定的参考。关键词：加工变形；工艺凸台；CAM；仿真1 序言近年来，航空产品结构件的复杂程度逐渐增大，加工制造难度也越来越大。生产交付要求的提高，生产周期的变短，对零件的数控加工工艺设计及制造能力提了新的要求，迫切需要提高产品的生产加工效率和产品合格率，以缩短航空产品的研发周期1。而复杂薄壁结构类零件在加工过程中，往往具有材料特殊，刚度低，装夹定位难，材料去除率大，加工精度高等特点，其加工质量更是常规普通方法难以保证的。尤其是当工件的薄壁处形状复杂，尺寸精度要求较高时，对振动、切削力大小及装夹方式等均十分敏感，往往未加工到规定尺寸，工件已经变形。如果在切削过程中，不采取适当措施，容易引起工件颤振，降低工件的加工精度，导致零件变形等现象，严重影响合格率2-4。本文以某型油面控制器壳体零件为例，该壳体是控制器的重要零部件，零件结构较复杂，主要的加工特征是多个型面的铣削、凹槽、钻孔、铰孔和铣螺纹等。通过利用NX/CAM和VERICUT软件进行数控加工编程和加工仿真优化，可以快速检验零件加工轨迹的正行性和操作的正确性，以此提高生产效率、产品质量并降低加工成本。2 结构特点及加工难点分析某型壳体模型如图1所示，部分尺寸如图2所示。该零件材料为2A70，结构较为复杂，平均厚度4mm。该零件的加工难点在于精加工时不易装夹，孔的精度高，几何公差要求高，平行度和同轴度不超过0.04mm，耳片表面粗糙度值Ra要求为1.6m。加工难度大，合格率低，主要是加工完成后，23+0.04 +0mm孔的平行度和同轴度超差，不同心，或者77-0.04-0.12mm上端面平面度较差。因此，在精加工前需要在粗加工时设置合理的工艺凸台，并在精加工时设计制作相应的工装，保证加工后的相关尺寸要求。而在前期的加工工艺方案中，主要是在铣削加工工序中，在粗加工时直接按最终尺寸在各端面单边预留12mm余量，精加工时直接装夹，较难兼顾不同型面加工特征的几何公差，导致合格率 偏低。图1某型壳体模型2023年 第5期 冷加工88智能制造 Intelligent Manufacturing3 加工工艺分析3.1 工艺路线设计由于该零件是复杂结构薄壁零件且精度要求高，所以在加工时零件应设定合理的工艺凸台或夹头，并制定配套的工装夹具，难以用常规工艺调整解决。为了保证零件的加工质量，必须优化加工工艺路线，设计相应的工艺凸台及专用工装增强加工过程中的零件刚度。该壳体的加工工艺路线为：005三轴加（粗铣外形）010钳（清理毛刺）015三轴加（粗铣外形）020钳（清理毛刺）025热（去应力）030三轴加（精铣外形）035钳（清理毛刺）040三轴加（精铣外形）045钳（清理毛刺、抛光）050四轴加（铣孔）055钳（清理毛刺、抛光）060清洗065检验070 DGY075外观检查。且在各工序的加工过程中，为了防止零件振动引起零件变形超差，从而影响尺寸精度，需要合理调整加工工艺参数。在数控铣削加工过程中主要采用的两种加工方案如图3所示。（1）粗铣外形工序图4所示的两种粗加工方案中，方案一采用常规方式，粗加工时，预留部分余量，再进行精加工。方案二通过合理设置工艺凸台和加工余量，保证加工后壁厚均匀，工艺凸台宽图2壳体部分尺寸a）方案一b）方案二图3壳体零件数控铣削加工方案2023年 第5期 冷加工89智能制造 Intelligent Manufacturing度和高度要求和同一端面的另一端壁板一致，方便后续工序的装夹。方案一在后续精加工时，只能采用三爪夹持，由于零件厚度较薄，仅有34mm，容易因装夹时的夹持力而导致零件变形。方案二通过设置工艺凸台，在后续加工时，先利用虎钳夹持工艺凸台，进行一端的精加工，后续再利用工装装夹，进行精加工。通过对比两种加工方案，最终方案二加工的零件质量相对稳定且符合图样尺寸。a）方案一粗加工示意 b）方案一后续精加工夹持 c）方案二粗加工示意 d）方案二后续精加工夹持图4粗加工及后续精加工夹持方案示意（2）精加工外形用虎钳夹持壳体零件的上的工艺凸台，将相应的端面、外形尺寸80mm外圆，M101-6H螺纹孔、定位销孔等加工到图样 尺寸。（3）加工23+0.04 +0mm孔利用自制专用工装，通过销孔定位，用压板和螺钉固定壳体零件，夹持工装外圆进行加工。3.2 工装设计由于该零件结构相对较复杂，装夹方式不当将会引起零件振动变形导致相关尺寸超差，同时为了提高批量生产的效率，所以必须设计操作方便、装夹合理的专用工装。1）为了保证零件的后续加工精度，方便零件装夹找正，精加工工装（见图5）设计时考虑零件的结构特点，设置相应的凹槽、螺纹孔及定位销孔。2）加工3+0.04 +0mm孔时，需要设计专用的四轴精加工工装（见图6）。由于壳体中间壁厚只有3mm，a）精加工工装模型 b）精加工工装c）装夹模型 d）装夹实物图5精加工工装 a）装夹模型 b）装夹实物图6四轴精加工工装2023年 第5期 冷加工90智能制造 Intelligent Manufacturing且零件相对较薄，径向刚性差，所以夹持时易产生扭曲或翘曲变形，而当夹紧力去掉之后，易造成相关尺寸超差。因此，该工装采用径向定位、端面轴向压紧的方式装夹零件。在工装上加工一个定位销及定位孔，让零件底部与工装完成贴合，用定位销和压板将零件压紧，防止加工时零件转动，加工后产生扭曲或翘曲变形。该工装的关键点是工装的凹槽与工件80mm尺寸完全一致，表面粗糙度值Ra达到1.6m以下，以便增大工件与工装间有效接触面积，提高接触刚度，减小甚至消除加工时的变形和振动，提高工件精度，达到设计要求。3.3 切削参数的选择（1）粗加工切削参数粗加工时，工艺系统的刚性较差，减小切削力，可减小工艺系统受力变形，提高零件加工精度。为减小零件振动和变形，需要降低零件上所受的切削力和切削热，因此采用较高的切削速度，以提高去除材料的加工效率。同时以大切削深度、小切削宽度的切削方式充分使用刀具切削刃，减少切削力，部分切削参数见表1。（2）精加工切削参数精加工时的重点是防止零件产生振动和变形。随着余量的减小，尤其是耳片悬伸相对较长，刚性也较差，因此精加工余量需逐渐减小。由于铣削的结构形状较为复杂，尺寸公差要求高，且刚度差，在切削力的作用下，很容易产生变形甚至破损，因此铣削用量合理与否直接关系到产品质量。部分切削参数见表2。表1部分粗加工切削参数加工刀具切削深度/mm切削宽度/mm切削速度/（mm/min）主轴转速/（r/min）余量/mm10mm立铣刀10112001500300018mm立铣刀100.5800100040001表2部分精加工切削参数加工尺寸/mm加工刀具切削深度/mm切削速度/（mm/min）主轴转速/（r/min）余量/mm16+0.08 +0.0310mm立铣刀5300300003+0.04 +02.8mm钻头10020000.13+0.04 +03mm绞孔刀3030008+0.06 +06mm立铣刀0.5200400004 模拟仿真为了验证NX操作生成的数控加工程序，需要验证切削刀路轨迹的准确性和可靠性，例如在交工过程中是否存在明显的过切或少切的情况，刀具是否可能会与工装夹具发生碰撞，加工工艺设计安排是否合理等。通常可以利用NX刀轨仿真功能直接查看并检查刀路轨迹（见图7），通过虚拟仿真验证切削过程（见图8）。通过加工仿真，对可能发生的加工问题进行修改，从而得到正确的数控加工刀路轨迹。初步验证零件的NC程序刀轨的正确性后，为了保证机床后置处理器所生成的NC代码在实际加工过程中的正确性和可靠性，可进行虚拟仿真，比较零图7零件部分刀路轨迹2023年 第5期 冷加工91智能制造 Intelligent Manufacturing件的加工过程和结果，验证NC代码的正确性。图8零件数控加工虚拟仿真5 结束语本文通过分析某型壳体的结构特点及加工难点，制定优化加工工艺路线，设计专用工装，调整部分加工参数并进行试验，同时利用NX/CAM软件编程与虚拟仿真技术，验证了该零件的数控加工程国家统计局服务业调查中心、中国物流与采购联合会发布的数据显示，2023年3月份，制造业PMI为51.9%，低于上月0.7个百分点；非制造业商务活动指数和综合PMI产出指数分别为58.2%和57.0%，高于2月1.9和0.6个百分点。三大指数连续3个月位于扩张区间，我国经济发展仍在企稳回升之中。2023年3月，受2月高基数等因素影响，制造业PMI有所回落，但景气水平仍为近两年次高点，在调查的21个行业中，有13个行业PMI高于2月。（1）产需两端继续扩张随着国内经济循环加快恢复，制造业生产和市场需求稳步回升，生产指数和新订单指数分别为54.6%和53.6%，比2月回落2.1和0.5个百分点，仍位于近期较高景气水平。从行业看，非金属矿物制品、通用设备、专用设备、汽车等行业两个指数均升至57.0%及以上较高景气区间，行业产需加快释放。（2）企业采购意愿增强在生产和市场需求回暖的带动下，近期企业采购活动比较活跃，采购量指数为53.5%，是2020年12月份以来高点；进口指数为50.9%，连续两个月位于扩张区间，企业生产用原材料进口量继续增加。从行业看，石油煤炭及其他燃料加工、黑色金属冶炼及压延加工、有色金序，确保了实际加工过程中数控程序的正确性和可靠性。从而解决了该型薄壁结构的加工技术难题，缩短了研发制造周期，取得了较好的经济效益，同时可以为类似结构工件的机械加工提供有效的 参考。参考文献：1 程俊兰，李东阳.薄壁铝合金镂空零件的高效高精加工工艺研究J.机床与液压，2018，46（20）：37-39.2 顾智平，黄鹿，等.基于UG的复杂壳体零件数控加工编程与仿真J.现代制造技术与装备，2018，11（105）：198-201.3 青春，李强，其木格.基于UG的数控编程及加工过程仿真J.机械设计与制造，2007（8）：107-109.4 于辉刚，张旭堂.基于UG的缸体零件数控加工编程与仿真J.机械工程师，2013（3）：117-:118.202302162023年3月份制造业PMI为51.9%属冶炼及压延加工等上游行业采购量指数和进口指数均比2月明显上升。（3）各规模企业PMI保持扩张大型企业PMI为53.6%，景气水平与上月基本持平，其中生产指数和新订单指数均位于55.0%以上较高景气区间，恢复发展动能较强。中、小型企业PMI分别为50.3%和50.4%，比2月有不同程度回落，但均连续两个月位于景气区间。（4）重点行业PMI运行稳定装备制造业、高技术制造业、高耗能行业和消费品行业PMI分别为53.0%、51.2%、51.1%和51.9%，继续保持扩张态势。其中，装备制造业PMI高于制造业总体1.1个百分点，带动作用较为显著；消费品行业PMI连续3个月回升，扩张步伐总体有所加快。（5）市场预期稳定向好近期我国经济保持恢复势头，企业信心稳定，生产经营活动预期指数为55.5%，持续位于较高景气区间。从行业看，调查的全部行业生产经营活动预期指数均连续两个月位于景气区间，其中食品及酒饮料精制茶、专用设备、铁路船舶航空航天设备、电气机械器材等行业位于60.0%以上高位景气区间，相关企业对市场发展前景看好。（来源：国家统计局）