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超硬材料异形零件数控加工工艺改进方案.pdf

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针对超硬材料异形零件结构复杂、装夹困难、材料硬度高、刀具磨损严重、传统装

夹方式易产生变形以及关键特征几何精度难以保证等工艺难题,设计拉紧定位工装,解

决装夹问题。采用平面特征底齿轴向微量渐进铣削和应力释放防变形技术,有效解决切

削力、夹紧力、切削热和材料应力释放等综合因素对零件加工精度造成的影响,确保了

加工质量稳定可靠。

1序言

随着航天技术的不断发展进步,航天产品结构也越来越复杂。超硬材料异形

零件的加工尺寸精度、表面粗糙度以及几何公差直接影响机构传动的性能指标。

由于这类零件具有结构复杂、尺寸精度高和几何公差要求严的特性,所以加工过

程中零件易变形,刀具磨损严重,关键特征几何精度难以保证,其加工方法一直

是困扰科研和生产的难题。本文将详述通过设计拉紧定位工装来解决装夹问题,

采用平面特征底齿轴向微量渐进铣削和应力释放防变形技术,有效解决各种因素

对精度造成的影响,确保了加工质量稳定可靠。

2零件结构分析

超硬材料异形零件(见图1)材料为自由锻件,精加工前经淬火处理后,硬

度高达40~45HRC,属于难加工材料。零件具有结构复杂、尺寸精度高和几何公

差要求严的特性,整体为不规则异形结构,各个空间位置分布筋、槽、孔、阶台、

圆弧和角度特征,其关键控制部分槽底相对于基准孔距尺寸为103mm,零件总

长为127mm,最薄筋厚度为10mm。各方向结构特征相对于基准孔和基准轴线

的尺寸精度和几何公差具有严格的要求。热处理后零件变形较大,零件孔与槽之

间、孔与面之间以及面与面之间的几何精度要求极严。

3加工难点分析

零件目前是在五轴机床上采用通用夹具(平口钳)装夹其平整部位两侧(零

件夹持部位底部留夹持余量),采用圆柱铣刀径向切削模式加工。由于受切削力、

夹紧力、切削热和材料应力释放等综合因素影响,因而加工质量难以保证。分析

该零件的加工难点,有以下几方面。

1)零件装夹过程中,工件被夹持部位需要平口钳夹紧力作用进行定位,各空

间位置特征相对于基准要素保持相对平衡状态,零件在装夹后产生微小变形的情

况下,完成切削加工并达到精度要求。但是只要装夹一松开,装夹变形就会还原,

变形难以避免,从而失去已达到的精度,各几何精度发生漂移,无法达到精度要

求。

2)零件淬火硬度高达40~45HRC,切削性能差。其关键被加工型面的尺寸

精度≤0.02mm、对称度≤0.05mm,切削过程中易产生粘刀和刀尖切削瘤等状况,

刀具易磨损,型面尺寸易加工漂移(漂移量≥0.02mm),对称度≥0.15mm,从

而破坏了零件被加工表面的几何精度和表面粗糙度。这些综合因素,导致型面尺

寸精度和几何精度不足。

图1超硬材料异形零件示意

3)加工过程中,由于材料硬度高,圆柱铣刀侧刃切削时,径向切削力使工件

弯曲变形和产生加工时的振动,径向切削力方向和主轴垂直方向产生微小锥度变

形,施力部分释放后零件发生弹性变形。

同时刀具受刀具螺旋角影响而产生径向拉力,发生微小弹性变形,各几何精

度发生漂移。铣刀悬长长径比越长,则刚性越弱,造成特征尺寸偏差超过工艺要

求公差带。

4)零件金属切除率较高,加工过程中去除余量不均匀会导致零件内部残余应

力平衡状态被破坏,零件产生变形,尤其是现阶段采用通用夹具(平口钳)装夹

定位方式,零件加工完成后的最后工步——去除零件夹持部位底部留夹持余量部

位时,瞬间去除大量余量,造成残余应力局部释放,零件各尺寸公差和几何公差

失去已达到的精度,各几何精度发生漂移。

因此,现有工艺存在缺陷,需要改进。

4工艺解决方案

基于以上技术分析及思路,设计技术方案如下。

(1)制作拉紧定位工装零件加工部位较多,尺寸精度和几何精度要求高,

各空间结构尺寸间关联度较强,故在五轴加工机床上,采用工序集中、一次装夹

以及多部位加工的方式,更容易保证尺寸要求。工装设计制作过程中综合考虑五

轴机床行程尺寸和摆动角度过程中刀具、工件和工装的干涉碰撞因素。

1)制作拉紧定位工装(见图2),采取一面两销定位原则,在工装顶部制作

定位基准面和工艺螺纹孔,在零件底部夹持部分制作对应孔距和孔径

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