数控铣削加工技术的成组化与模块化

■ 中航工业航宇救生装备有限公司 （湖北襄阳 441003）

金 鑫 方 卫

现代数控制造技术正在从减料加工（切削去料）模式向增料成形（3D打印）模式进展，然而，这种制造技术还处于实验室阶段，在金属材料与非金属材料的堆积技术、环境条件、成形精度、零件强度与硬度以及成形零件热处理等方面还有待探究、完善。在航空机械制造领域，传统的数控铣削加工技术仍处于主导地位。

1. 现状和问题

作为减料加工模式的高级阶段，数控铣削加工这种计算机辅助制造加工技术已经不是什么新鲜门类了，其现场实用性的灵活特点是毋庸置疑的。然而，现有的制造模式生产准备周期较长、工艺预案的综合技术应用处理难度较高等难题是令人非常关注的。如何才能够使设备更好地发挥效能、扬长避短，切实达到解决实际加工生产问题的及时性和工艺方法的可靠性，从技术管理中深挖潜力，是必须解决的问题。

2. 解决问题的思路

虽然生产条件在变，但机械加工的基本原理没有本质变化，应该说，更需要生产技术、操作和管理人员实事求是地应用、分析，从而使日新月异的技术运用得到整合而规范化，使之不再是高不可攀的学术理论和试验室技术，而成为最贴近实际操作的方法。

目前经常在专业电视节目或新闻报道中看到某型舰船、飞机采用模块化设计、制造和改换装技术，使各项运营周期大幅缩短，经济效益成倍增长。反观数控铣削加工，检视大量加工实践案例，我们面临着实际加工条件与所要达到的设计工艺要求和生产交付节点有一定差距的问题。因此，专业整合相关技术方法，针对该重要环节讨论技术的成组化和模块化，使之能够在单项技术上成组成套，实际运用中以模块方式灵活拆分、轻松组合，便于生产技术集约化应用。

3. 可行性方案分析与说明

下面围绕零件加工的现有条件状态而衍生的技术方法进行探讨。这里存在着两个重要因素：零件与工艺方法。零件由毛坯形态、材料材质、目标形态及精度等描述；工艺方法以装夹方式、加工切削方式及检测方式等组成。

零件来料的毛坯形态常见的有圆盘体、圆柱体、矩形实体、平板体、规则组合体、不规则异形体及薄壁壳体等；材料材质可分为非金属（胶木、尼龙和复合材料）、铝合金、镁铝合金、铜合金、低碳钢、高碳钢、合金钢、不锈钢、钛合金及耐高温合金等；目标形态通常有平面、斜面、单一规则曲面、复合曲面、二维内外轮廓、通孔、盲孔、台阶孔、深孔、及相贯孔等；精度包含形状精度、位置精度及表面粗糙度等。

图1～6所示分别为圆盘体、圆柱体、矩形实体、规则组合体、不规则异形体及薄壁壳体。工艺方法中装夹样式有卡盘式、机用虎钳、可拆解组合夹具及专用夹具等；切削加工则涵盖刀具技术和走刀运用技术，有钻削、铰削、镗削、铣削和攻螺纹等，其中因零件不同的工艺要求可以分解出多种方式方法；检测方法有通用量具直接检测、间接换算检测和高精度计量检测，也可分为平行尺寸检测、圆周尺寸检测和非正交尺寸检测等。

图1 圆盘体

图2 圆柱体

图3 矩形实体

图4 规则组合体

图5 不规则异形体

图6 薄壁壳体

图7 所示为可拆解组合夹具与异形平板体，图8所示为异形零件与拼装组合夹具，图9所示为专用夹具与异形毛坯。

通过观察可得出以下各技术模块关联图。

图7 可拆解组合夹具与异形平板体

图8 异形零件与拼装组合夹具

图9 专用夹具与异形毛坯

（1）夹具技术模块图：以零件毛坯的不同形状为对象，分解出各种装夹方式（见图10）。

（2）加工技术模块图：因所加工的零件材质、毛坯余量、目标形态及精度而产生，形成刀具技术模块（类别、制作、刃磨及选配）、切削加工运用技术模块（见图11）。由图11可以看出工艺加工技术与零件、刀具系统的基本关系，说明了刀具技术模块的相关技术内容。附表所示为各个工艺加工技术模块与零件常见工艺状态的对应关系。

4. 实例剖析

图表中所述较为粗略，仔细分析则可得更多应用技术节点、内容，如二维轮廓可分为外形轮廓与内腔及槽型轮廓，孔系加工可分为全包围孔系加工和开放式半包围孔系加工技术，面加工中的拟合覆盖技术与刀具选配高效加工技术等。在零件精度保持和高效加工双重因素作用下，产生了现代先进刀具制造与应用技术。下面以典型零件为例加以说明。

图10 零件毛坯与夹具技术关系图

图11 零件毛坯与切削技术

毛坯状态与工艺技术模块对应关系表

某典型火工零件（见图12）有以下特点与加工难点：①节点紧。②批量大（8 000件）。③工艺质量要求表面粗糙度值为3.2µm，6个φ11.0mm孔均布，6个φ4.0mm孔均布）。④材料为45钢。⑤6个φ11.0mm孔、6个φ4.0mm孔为半边余量。⑥装夹次数多（8 000次），操作较慢。零件正、反面分别如图12b、图12c所示。零件工艺尺寸如图13所示。

图12 某火工零件

图13 零件工艺图

要想保证零件生产质量稳定，得到可靠的控制，就应采取如下加工工艺方案：①运用定位技术，起到定位6个φ 11.0mm、6个φ 4.0m m孔的作用。②采用粗钻技术，φ3.6～φ3.8mm钻头粗制6个φ 4.0mm底孔。由于有半边余量，钻头在半边切削的反作用力下偏摆，使孔成为椭圆，甚至超差。因此，要预留精加工余量。③运用扩孔及孔系修正技术，键槽铣刀φ 4.0mm扩制6个φ 4.0mm孔。利用此类刀具底齿排屑好、善于制窝下刀以及径向偏摆小等特点，修正小孔的直线度，并扩孔至尺寸。④运用刀具夹持选配技术，钻头φ 11.0mm直接制6个φ 11.0mm孔。其直径较粗，相对刚性较好，为保证定位精度，用φ 1.5～φ 3.0m m定心钻，预钻定位孔。⑤综合运用刀具材质技术和切削加工技术，刀具均采用HSS—Co材质，刀具转速n为400～1 000r/min，切削进给速度F为60～100mm/min。⑥运用圆形定位夹持技术，夹持方式为φ 120～φ 160mm三爪自定心卡盘，自制夹持衬套，避免三爪直接夹持夹伤零件外圆表面（见图14）。

图14 零件与夹具

为了缩短生产周期，保质保量地完成本批任务，分析并采取了以下具体措施。

（1）零件材质为45钢，其切削性能尚可，可以取消定心钻φ 1.5～φ 3.0mm和φ 3.6～φ 3.8mm钻头，这样既减少了自动换刀时间，又省去了这两把刀具的切削运行和刃磨换刀时间。

钻头φ 11.0m m磨制为三尖钻，利用其直径大、刚性好的优势，发挥三尖钻的几何外形功能，自动定心，切削排屑顺畅（见图15）。

图 15

制6个φ 4.0m m孔时，可以使用键槽铣刀φ 4.0 m m 或钻头φ 4.1mm，但底齿顶角2ψ 为130°～150°，主要是为了利于孔壁半边余量的加工，使孔径偏摆量极小。零件加工效果如图16所示。

图16 零件加工效果图

（2）现有的装夹方式看起来比较可靠，但均为一次装夹只能夹持紧固单个零件，既费力又费时。经过CAXA电子图版作图构思，并考虑计算夹持力、夹具强度以及夹具制造效率，运用仿形定位夹持技术制作了一套专用夹具（见图17），可以实现一次装夹多个零件。

图17 夹具图

5. 模块技术的信息化整合与共享开发之展望

正是由于零件毛坯各式各样，功能设计需求与工艺要求越来越高，而给予生产现场的加工周期极其有限，在实际工作中需要我们总结已有的成熟技术，并灵活运用，不断创新，以满足行业和市场发展的需要，跟上时代的脚步。

因此，我们构想建立一个机械加工数字化智能工艺系统软件：①各种毛坯形态、材料、刀具、切削参数、装夹定位及工艺要求等相关的成熟技术信息汇于其中，分成系列，对应编码。②不仅可以对于某单一型面加工提取调用专业工艺加工方案，可以针对一个零件自动制定形成一套完整的成品加工工艺，还可以把材料与刀具、材质建立对应关系，以任一项条件输入即可获得相应的适合的生产条件与切削方式等。③具有开放式后处理开发功能。④存档错误案例及经验教训说明。

6. 结语

数控铣削加工技术的成组化、模块化分析与构想是数控加工系统工程的“总工程师”，也是机械加工“应用专家”，更是解决实际生产操作问题的“全科大夫”，必将成为数控加工技术信息共享的一个重要平台，实现数控加工无障碍处理技术之梦想。只有不懈地进行工艺的规范化、系统化，产品质量、安全操作和高效生产才可能确保得到均衡控制，航空机械制造产业才有可能得到稳步推进和发展。

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