王飞强 李峰 程光 燕纪钧
中国航发西安动力控制科技有限公司 陕西西安 710077
摘要：分厂零件多为复杂型腔类壳体，此类零件加工难度较大。其中以调节器零件为例，该壳体由于铣削深度层次不一，加工过程中需通过十几个小范围型腔区域铣削工步来完成整体加工；同时受型腔内部各区域转接R大小不一的限制，只能使用小直径加长铣刀进行加工。为保证零件的加工质量，切削参数设置较低，不能完全发挥数控机床应有的效率，导致加工时间过长。本文通过对型腔类壳体零件的材料性能、切削刀具、切削参数及特征编程的摸索和试验，找出制约该零件加工的因素并总结出解决此类问题的方案。该方案有效的提高了此零件加工质量和生产效率，在同类零件的加工中可推广应用。
关键词：型腔；材料；刀具；切削参数；特征编程
引言
壳体零件是发动机燃油附件系统的基础器件之一，其作用是保持各轴、套及齿轮等零件在空间的位置关系，使这些零件能够协调地运动，起到支撑各零件的作用。我分厂加工的零件，就复杂壳体自身特点而言，其结构复杂，内部型腔较多，且壁厚不均匀；型面的高低层次不一，大小形状各异，局部地方为了满足装配要求去除多余毛坯需进行型槽切削加工。调节器壳体零件型腔复杂，型腔粗精加工共有4道工序，单件加工总时间约460分钟。零件深度层次不一，加工时需通过十几个小范围型腔区域铣削工步来完成整体加工，加工时间太长。因受型腔内部各转接R大小的影响，选用的刀具多为小直径加长铣刀，为保证零件加工质量，切削参数设置较低，不能完全发挥数控机床的应有效率，进而造成零件加工周期长。本文通过分析零件的型面、型槽等特征，再结合刀具材料的选取来确定编程方式，从而提升型腔类零件的加工质量和生产效率。
1 零件材料的力学性能
调节器壳体零件所用材料为：“ZL101-T5”铸铝101，热处理状态T5，铸造方法“金属型”。抗拉强度σb/MPa 201,硬度HB76～100，伸长率δ(%)≥2。从材料的各项性能参数来看是属于易切削材料。由于此类材料的塑性较高，在加工过程中铝屑不易快速排出刀刃的切削区域，容易产生积屑瘤，对刀具切削时的受力和冷却状况均有影响作用，而且对已加工表面的粗糙度会产生破坏作用，严重影响了零件的加工质量。这些问题在后续的刀具选用中是值得考虑的。
2 刀具的选择
刀具在整个机械加工过程中起主导作用，刀具选择的好坏直接影响着零件的加工质量和加工效率。通过分析整体加工过程中铝屑堆积、产生积屑瘤后对刀具切削性能和零件表面质量的影响，以及加工区域在整个零件中所在位置的干涉情况，选择出合理的刀具。
2.1 原始刀具选择不合理
从材料的力学性能来看一般情况下高速钢刀具（刀具材料：W18Cr4V）应该能满足加工的需求，且成本较低。而事实上最初为此零件设计的刀具也都是高速钢刀具，刀具多为小直径加长铣刀和加长T型槽刀（见图3、图4）。 一方面此类刀具的刀杆刚性差，批量加工过程中切削刃磨损快，刃口锋利程度降低产生积屑瘤，最终致使零件加工表面质量差；另一方面由于刀具动平衡性能差导致在采用传统的铣削方式进行铣削加工时，进刀抗力较大，切削速度无法提高，严重影响了加工效率。所以高速钢刀具是不适合使用的。
图3 高速钢铣刀 图4 高速钢T型槽刀
2.2 根据加工特征选择刀具
根据上述高速钢刀具的性能缺点，针对零件内部型腔、型槽的分布区域和加工深度，综合考虑刀杆的刚性、刃口的硬度以及经济实用性，用硬质合金刀具作为加工刀具应该是比较合适的选择。粗加工刀具，对零件的型腔进行去余量加工，加工出型腔的近似轮廓；精加工刀具对型腔的各加工面进行最终的光整加工，并保证相应的R值、相关尺寸和粗糙度要求，为减小刀具在切削过程中的震动及保证加工表面的光度，在改用硬质合金刀具的基础上将刀柄也更换为小直径的加长刀柄，尽可能的缩短刀具的伸出长度来保证加工质量；合金T型槽刀对型槽和毛坯肥大进行加工。通过现场的验证，可看出零件的加工质量和效率有了明显的提升。
3 程序参数优化
刀具更换后原程序中的切削参数已不适合硬质合金刀具的加工，在改变切削参数的同时针对换刀时间、进刀方式、刀路轨迹，也进行了相应的优化。通过各方面的优化，做到最大化的效率提升。
3.1 减少换刀时间
减少换刀次数。同一把刀具将所涉及到的加工内容一次加工完成。在程序中的加入预先叫刀指令T**，以减少换刀的等待时间。
3.2 切削参数的优化
切削参数的优化主要是针对主轴转速、切削深度、切削速度。通过刀具的更换使用可以明显的对比出切削效率的提升。
3.3 进刀方式的优化
进刀方式采用螺旋下刀铣型腔，这样可避免由于刀具细长而造成在进刀时刀具折断或刀具震动产生震纹。
3.4 精简刀路轨迹
快速点定位及最小安全距离的优化，根据夹具高度、零件高度、刀具长度等数据在保证安全的前提下设置进退刀位置和最小安全距离，保证刀具路径最短。
DMG程序示例：
N14 G83 X0.5 Y1 Z=-71+27.5 B20 I2 K3 F100
N20 G89 Z-5 B2 K1 R=8.12:2 Y3=100 F2=80 F100
N24 G81 X0.5 Y3 Z-2.5 B100 F120
最小安全距离 快速退刀距离
现场验证：效率提升：27.6 %
设备：DMU60P刀具：钻头D4.9； 钻孔深度：75；
最小
安全距离：0.3和3比对。
程序代码：G83 X0 Y0.3 Z-75 I3 K3 B100 S2200 F150 M3
加工时间：71″
程序代码：G83 X0 Y3 Z-75 I3 K3 B100 S2200 F150 M3
加工时间：98″
4 结束语
通过对调节器壳体零件铣型腔的优化，从刀具材料、加工特征、编程方式以及切削参数等方面入手总结出针对复杂壳体型腔的加工方法，为同类壳体零件加工效率的提升提供了参考案例。其中进刀方式和刀路轨迹的优化在现场验证中效果显著，可推广到所有数控加工中心机床的加工中。
参考文献
[1] 王文斌，林忠钦，鄂中凯．机械设计手册第1卷．北京：机械工业出版社，2006．9
[2] 刘万菊．陈文杰，数控加工工艺及编程．北京：机械工业出版社，2006．10
[3] 张秀玲．于国强，张宝山，数控加工技师手册．北京：机械工业出版社，2005．4