輕量化、高強度的產(chǎn)品需求下,很多傳統(tǒng)工件都開始使用新材料制作,比如汽車車身就在追求鋁材質(zhì)的全面應用。不過鋁合金的有效應用還是主要在航天領域,這些產(chǎn)品結(jié)構件一般具有形狀結(jié)構復雜、材料去除量大、薄壁易變形等特點,且對零件加工精度、質(zhì)量及加工效率等各方面具有更高的要求。

在這樣的情況下應用高強度鋁合金材料(例如2A12)時,高效切削加工方案就必不可少了。而得益于航天領域?qū)Ω咝Ъ庸さ纳钊胙芯?這些鋁合金薄壁件的加工經(jīng)驗也能讓制造企業(yè)在加工常見零件時受益。

高速切削對機床的要求

在整體結(jié)構件數(shù)控銑削加工過程中,要保證零件加工質(zhì)量和加工精度,提高加工過程的材料去除率,首先必須針對由機床-刀具-工件及其相互間接口(刀柄和夾具)組成的切削加工系統(tǒng)進行系統(tǒng)優(yōu)化,保證高速切削過程中整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

高速切削加工對機床的要求主要包括以下方面:

機床結(jié)構要有優(yōu)良的靜、動態(tài)特性和熱態(tài)特性;

主軸單元能夠提供高轉(zhuǎn)速、大功率、大扭矩;

進給單元能夠提供大進給速度。

必要時,可通過對切削加工系統(tǒng)進行模態(tài)分析試驗,獲取銑削加工系統(tǒng)動態(tài)性能參數(shù),為求解銑削加工動力學模型和預測加工穩(wěn)定性提供相應的基礎數(shù)據(jù)。

高效加工刀柄實測對比

對于高速加工刀具與刀柄選用，首先應考慮使用的安全性,否則會破壞機床主軸，甚至發(fā)生安全事故。高速切削加工對刀具和刀柄的選用要求主要包括以下方面。

1.刀具的許用速度必須大于等于實際加工速度;

2.高速加工刀具和刀柄必須滿足動平衡和徑向跳動的要求,一般應達到G6.3或G2.5以上要求;

刀柄和刀具的動平衡檢測

經(jīng)動平衡測試,液壓刀柄和刀具、強力動平衡式刀柄和刀具能夠達到G2.5的動平衡精度要求,而彈簧夾頭式刀柄和刀具能達到G6.3的動平衡精度要求,但達不到G2.5的動平衡精度要求。

徑向位移跳動測量現(xiàn)場圖

在分別對強力動平衡式刀柄、彈簧夾頭刀柄、液壓式刀柄進行最大徑向位移跳動測量時發(fā)現(xiàn),強力動平衡式刀柄具有最小徑向跳動。

不同刀具、不同轉(zhuǎn)速下的最大徑向位移跳動量

從徑向位移跳動測量試驗中可以看出,在刀具轉(zhuǎn)速為20000r/min的條件下,選用了動平衡質(zhì)量精度達到G2.5等級的強力刀具與刀柄。經(jīng)過徑向位移跳動檢測,當機床主軸轉(zhuǎn)速達到20000r/min時,刀具的最大徑向位移跳動量為10.95~12.05μm,滿足高速精密加工中刀具徑向跳動量要求。

3.在高速加工中要求刀柄具有更高的夾持力;

下面給出了HSK系列中常用的液壓刀柄、強力刀柄和熱縮刀柄能達到的最大扭矩對比,從圖中可以看出,若采用普通的彈簧夾頭ER32所能達到的最大扭矩僅為196N·m,采用液壓刀柄HYDRO32所能達到的最大扭矩為441N·m,采用熱縮刀柄所能達到的最大扭矩為784N·m,與強力刀柄MAXIN20所能達到的最大扭矩相同。

不同夾緊方式最大扭矩對比

綜上所述,強力動平衡刀柄具有高動平衡精度、小徑向跳動,適合用于高速高精加工。另外,采用熱縮刀柄亦能獲得較高的動平衡精度,較低的刀柄重量,以及較高的刀具夾持力。

高效加工裝夾系統(tǒng)設計要點

高效加工專用工裝不但要保證高速切削時有效夾緊定位,同時還應考慮方便實現(xiàn)快速定位夾緊,其設計要點主要包括以下幾個方面。

1.工裝與工件的定位接觸面積盡可能大,同時在工件上選擇盡可能大的平面(或曲面)作為定位面,并提高該定位面的加工精度要求,確保工件定位面與夾具基準面自然、緊密貼合,增大接觸剛度。

2.對剛性較差的薄壁零件常采用過定位方式定位,特別是在剛性薄弱處要加支撐,以提高工件的工藝剛度。

▲套筒零件的過定位

3.在保證可靠夾緊的前提下,采用盡可能小的、均布的夾緊力,適當增加夾緊點的數(shù)目和增大夾緊力的作用面積。在零件剛性好的方向施加夾緊力,并且作用于剛性好的表面上。

▲伺服點擊型POGO柱:多點、大面積支撐夾緊

目前制造業(yè)普遍采用的裝夾夾具主要有機械式、液壓可調(diào)式、真空吸附式、氣壓式等。相較于傳統(tǒng)手動機械裝夾夾具,液壓、真空吸附和氣動夾具具有可實現(xiàn)自動化、裝夾效率高、夾緊力可控等特點,更適合高效加工。

真空吸附夾具夾緊力較小(其單位壓力不超過一個大氣壓,即小于105Pa),但分布均勻,適用于夾緊任何具有較光滑表面的物體,特別是非金屬類不適合夾取的弱剛性大型薄殼工件的精車、磨削、拋光等小余量去除加工。但真空吸附夾具對與夾具接觸的工件表面粗糙度及輪廓尺寸要求較高。(夾具俠現(xiàn)推出氣動夾具設計課程,全面講解真空夾具在3C領域的應用實例,詳情點擊:氣動、液壓夾具80課內(nèi)容揭秘:從基礎知識講到商業(yè)應用實例)

1.工件 2.真空吸附夾具 3.底板 4.真空泵 5.導軌 6.液壓控制箱

柔性工裝系統(tǒng)整體構思圖和實物照片

液壓可調(diào)夾具,能實現(xiàn)夾緊原件姿態(tài)、狀態(tài)的實時可調(diào)可控,可保證刀具切削軌跡的連續(xù)性;此外,還可以改變或更換夾具的部分組件來改變夾具結(jié)構,以適應不同零件的加工裝夾要求,具有更廣泛的適用性。(夾具俠現(xiàn)推出液壓夾具設計課程,共40于課液壓夾具設計實例講解,詳情點擊:氣動、液壓夾具80課內(nèi)容揭秘:從基礎知識講到商業(yè)應用實例)

氣壓夾具能夠?qū)崿F(xiàn)液壓夾具功能,并達到足夠大的壓緊力,與液壓夾具不同的是,氣壓夾具采用空氣壓力作為動力源。

以上即是面對薄壁復雜件等工件時的高效加工設計方案分析,這些實測數(shù)據(jù)相信能很好的輔助刀柄選擇、夾具方案設計等問題。同時本文也是三篇系列文章中的第一篇,下一部分我們將分享加工工藝的具體改進方法,針對鋁合金薄壁件進行走刀策略、切削參數(shù)優(yōu)化等分析,敬請期待。