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    C系列飛機固定器類零件數字化加工技術
    2021-3-26  來源: 沈陽飛機工業(集團)有限公司  作者: 鎖聰

      
          摘要:為了解決C系列飛機固定器類零件加工困難的問題,設計了一種典型的數控加工工藝。針對特殊結構,設計制造專用刀具。借助三維CAM軟件,編制數控加工程序,合理制定刀具軌跡,生成數控機床專用NC代碼。利用幾何仿真軟件,對NC代碼進行仿真檢查,避免撞刀、過切等意外情況的發生。最后,對典型零件進行實際的切削加工,零件的尺寸精度及外形精度均符合設計圖樣要求,表明了此加工工藝的可行性,為C系列飛機固定器類零件的數控加工提供了一種典型的工藝方案。

         關鍵詞:數字化加工;雙曲率;T型槽;數控編程;仿真檢查

         0 引 言
       
        C系列飛機固定器類零件共90余項,屬艙門附件,主要用于固定密封膠條。該類零件整體結構復雜,外形為復雜雙曲面,內部含帶曲率T型槽結構,加工困難。此外,零件各處厚度尺寸較小,加工過程中極易發生變形,尺寸精度和型面精度均不易保證。固定器類零件雖外形結構各不相同,但T型槽截面尺寸一致,屬于結構相似類零件,若找到一種穩妥可靠的加工方案,即可完成全部此類零件的加工。

         1、 零件分析
      
         固定器類零件整體數量較多,通過全尺寸分析,選出一項典型零件,包含了所有 該 類 零件的典型特征,以此零件為基礎,開展工藝研究,典型零件示意圖如圖1所示。
     
      

         1.1 毛坯信息
       
         零件由鋁合金預拉伸板材機加而成,材料牌號為7475 T7351 ,材料厚度為1.5 in(約38.1 mm)??紤]到零件裝夾及加工基準設置等多方面因素,毛坯尺寸需略大于零件尺寸,通過測量零件實際尺寸,最終確定毛坯長寬尺寸為350 mm×180 mm。毛坯材料為高強度鋁合金,加工性能尚可,屬于易加工材料。
       
         1.2 典型結構特征
      
         零件整體結構復雜,相對于平板零件,既有一定程度的彎曲,又有一定程度的扭曲,內外形均為復雜雙曲面。此外,最為突出的則是其T型槽結構,一般零件的T型槽為簡單直槽或單曲率T型槽,但該零件的T型槽跟隨其內外形面,為復雜雙曲率T型槽,這就給T型槽的加工帶來了極大的挑戰。雖然零件整體結構復雜,但是通過細致分析,也找到了一定規律。零件可近似看做一等截面結構,提取零件截面,沿著一條空間復雜曲線拉伸,即形成了三維幾何實體,零件構成示意圖如圖2所示。對零件三維構成的清晰分析,也為后續的加工帶來了新的思路。
     
      
       
          1.3 零件尺寸及精度
      
          零件屬薄壁結構,所有厚度尺寸均為1.5 mm,尺寸公差為±0.24 mm??紤]到零件的使用需求,需在T型槽內安放密封膠條,保證密封性,故其最重要的尺寸為T型槽槽口厚度,名義尺寸為3 mm,尺寸公差為±0.2 mm。此外,為了保證零件的順利安裝,對于外形曲面也有嚴格要求,外形曲面的面輪廓度要求為0.25 mm。
      
          2、 加工方案
      
         2.1 機床的選擇
      
         該零件外廓尺寸較小,對機床工作臺尺寸及加工行程并無特殊要求,但其結構復雜,存在部分開角、閉角結構且角度較大,需選擇一臺五坐標數控機床才能完成零件的加工[1]。通過具體分析,零件加工過程中擺角最大處發生在T型槽加工過程中,A角行程需超過±50°,C角行程需超過±180°。為了保證加工的順利進行,選擇法國FOREST-LINE機床廠生產的五坐標數控加工中心加工此零件,其A角行程為±110°,C角行程為±360°,完全滿足加工需求。

          2.2 刀具的選擇
      
          零件的材料為高強度鋁合金,故選擇兩齒整體硬質合金立銑刀完成加工,針對零件不同區域,選擇直徑大小適宜的銑刀進行加工,盡量在刀具一次裝夾后完成全部工序內容,減少換刀次數,提高加工效率[2]。
     
      

         針對零件的特殊區域———T型槽,則需設計制造專用的T型刀具。專用刀具的設計需完全匹配T型槽結構,T型槽具體尺寸如圖3所示。由于T型槽厚度為3 mm,底R為1.5 mm,若想完成加工,T型刀具的T型厚度與底R需與零件完全一致,而在刀具直徑上,則可以比T型槽寬度17.8mm略小,這樣可以分多次加工到位,減少每次加工量,保證T型槽內壁的加工質量。此外,T型槽開口寬度僅為9.7mm,還需考慮刀桿直徑,避免加工過程中發生撞刀。綜合以上因素,設計了一把專用T型刀具,具體的結構尺寸如圖4所示,刀具直徑為16 mm,刀具底R為1.5 mm,T型部分厚度為3 mm,刀具的尾部采用直柄夾持的方式,直徑同樣為16 mm,而在刀桿進入T型槽的部位則設置了縮頸,直徑為6 mm,這種設 計 方 式 既 保 證了刀具的整體剛性,又避免了加工過程中發生刀具碰撞,可以確保專用刀具順利完成T型槽的加工。
     
      
       
         2.3 加工流程
      
         零件需雙面加工 ,在正式加工前需確定加工基準。將板材毛坯上下表面銑平見光,作為Z向加工基準,銑出一長一短兩條直角邊,作為X向和Y向加工基準。在毛坯周邊布置若干壓板,進行軸向壓緊,壓入量不宜過多,約為10 mm,避免加工過程中刀具與壓板碰撞。由于壓板位置均設置在毛坯周邊,在一次裝夾后即可完成本道工序的全部加工內容,無需竄動壓板,減輕了操作人員的工作量,減少了零件生產的輔助時間。一般來講,選擇結構要素較少的一面作為第一面,優先加工,針對此零件,則選擇無T型槽的一面優先加工。零件第一面為復雜雙曲面,綜合考量零件尺寸及加工效率,選取25R3立銑刀進行粗加工,采取軸向分層的方式,每層均勻去除余量,留余量1 mm。為了減少換刀次數,在半精加工時仍然選擇此把刀具,半精加工后應保證余量均勻,為精加工做好準備。精加工時仍然無需換刀,采用定角度行切的方式,完成零件外形曲面的精加工。精加工時合理設置切削用量,保證外形曲面的加工精度及表面粗糙度符合設計要求。
       
         第一面加工完成后,將零件翻面,進行第二面的加工,加工基準與第一面保持一致,確保雙面加工零件的準確性。零件第二面雖結構較多,但仍優先加工出復雜型面,加工方式與第一面相同。然后對T型槽區域進行加工,T型槽的加工一共分兩步,首先選用8R0立銑刀加工T型槽口,為后續的T型刀加工清除障礙。然后使用專用T型刀具,進行T型槽寬度的加工,寬度加工共需要3刀,第一刀從T型槽的正中間通過,左右兩側均勻留有余量,然后在左右兩側各補銑一刀,均采用順銑的方式,完成整個T型槽的加工。最后,對零件進行切斷加工,選取12R0立銑刀去除外形余量,只在零件2個端面處留有2個連接筋,厚度與零件厚度一致,待全部加工完成后,由鉗工從板材毛坯上去除2個連接筋,卸下零件。
      
         3、 數控編程
      
         在現代化制造領域中,數控編程的軟件眾多,優勢各有不同,怎樣發揮一個軟件的優勢是考驗一個編程人員的基本素質。在本次加工中,選用CATIA V5作為編程軟件CATIA V5是航空制造業常用的一款CAM軟件,其編程簡單方便,數據處理能力強,針對不同的零件結構特征,可以靈活地選用不同的編程指令,完成加工。此外,該軟件還具有獨特的產品 (Product)/過程 (Process)/資源(Resource)模型[3],可以提供真正的協同環境,共享流程信息,是實現人員、工具、方法和資源真正集成的基礎。

         3.1 編程方法
      
         在本次加工過程中,使用五坐標數控高速銑床,高速銑削不同于普通的數控加工,在許多方面都需特殊注意,在本次數控編程中使用了如下方法[4]:1)粗加工時,采用軸向分層的方式;2) 針對復雜曲面,采用定角度行切加工;3)刀具切入材料時采用斜向下刀;4)保證刀具軌跡平穩,避免機床功率突變;5) 避免加工過程中走刀方向突變;6)粗加工后設置半精加工,保證精加工時余量均勻。

         3.2 T型槽區域加工程序的編制
       
         在CATIA V5中,有專用的T型槽加工指令GrooveMilling,但其只針對簡單直槽,對于復雜雙曲率T型槽則束手無策。常用的方式是使用多軸輪廓加工指令Multi-Axis Flank Contouring來進行替代編程,但該指令也存在一定弊端,即在編程過程中無法使用T型刀具,只能使用立銑刀。這就使得編程人員在編程過程中使用立銑刀來近似編制刀軌,而在實際過程中使用T型刀具來加工。這種方式不但增加了編程人員的工作難度,也使得實際加工出的零件與理論存在一定偏差,極易造成質量事故。
     
      
      
         在本次編程過程中,嘗試了多種不同的編程方式,經過多方比較 , 最終決定使用多軸參數線加工指令Isoparametric Machining來進行T型槽加工程序的編制[5]。不同于以往選擇槽側面對刀具軌跡進行驅動,使用該指令可以選擇T型槽底面,再輔以若干引導點,實現對刀具軌跡的編制。刀軸的運動方式則選擇Lead and tilt,使刀軸在加工過程中隨形變化,始終保持刀具軸線與所接觸曲面的法向保持一致。這種五軸聯動的加工方式,可以精確地控制刀具軌跡,隨形加工出整個T型槽,保持產品質量,刀具軌跡示意圖如圖5所示。

         4、 仿真檢查
       
         VERICUT是一款專為制造業設計的數控加工仿真和優化軟件[6],采用虛擬現實技術,對加工過程進行模擬,具有真實的三維實體顯示效果,比傳統意義上的刀路軌跡仿真更接近于實際加工情況。它可以取代傳統的切削試驗,真實模擬加工過程中零件、夾具、工作臺、機床及刀具切削的實際情況,不僅可以對機床運動狀態進行仿真,還能夠對數控加工程序進行驗證、優化,幫助編程人員修正編程錯誤,該軟件已經成為提高數控加工質量的高效工具。VERICUT系統環境下實現數控加工過程的仿真,通過以下幾個步驟實現[7]:1)建立數控機床模型,配置控制系統;2)建立刀具庫,定義刀具類型及參數屬性;3)調入毛坯模型、零件模型;4)調入NC數控程序;5)虛擬加工仿真,使用自動比對模塊檢查。
       
         按照上述步驟對零件加工過程進行仿真,對數控加工程序進行切傷及殘余檢驗,通過軟件參數的設定,切傷及殘余可以用不同顏色顯示出來。VERICUT仿真可以使用前置程序,也可以使用后置程序,在本次仿真時使用后置程序,保證仿真程序與最終加工程序一致,避免中間環節錯誤導致意外情況發生。依據仿真結果,不斷修改完善數控加工程序,直至沒有切傷及殘余發生。

         5、 結 論
      
         在本文工作中,設計了一種典型的C系列飛機固定器類零件的數控加工工藝。選取典型零件,針對其復雜雙曲率T型槽結構,設計制造了專用刀具,完成特殊區域的加工。借助CATIA V5軟件,巧妙運用各種指令,編制數控加工程序,生成數控機床專用NC代碼。通過VERICUT軟件對NC代碼進行仿真,避免加工過程中意外情況的發生。最后,使用五坐標高速數控加工中心對典型零件進行了實際加工,零件的尺寸精度及外形精度均符合設計圖樣要求。切削結果表明,該工藝方案可以完成典型零件的數控加工,加工效果良好??紤]到固定器類零件結構相似,該類零件均可以使用此種數控加工方案完成加工。 
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