一种复合材料异形零件数控铣削工艺

（内蒙古北方重工集团有限公司，内蒙古包头，014033）

一种复合材料异形零件数控铣削工艺

邱家敏 刘庆君 任 全 林安欣

（内蒙古北方重工集团有限公司，内蒙古包头，014033）

本文介绍了一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料异形结构零件的切削加工工艺，通过合理选择加工方法、切削刀具、切削参数，优化数控加工程序，解决了异形截面环切刀痕问题，保证零件设计图样要求。

复合材料； 异形结构； 切削工艺

某产品复合材料管芯内层由特种铜合金、绝缘材料粘接成型，外壳采用玻璃纤维/环氧树脂缠绕成型，其截面形状为半圆形与矩形复合异型形状。零件缠绕成型后还需要进行外形加工，与钢质外壳配合。管芯长度大于6m，截面外形尺寸高度×宽度为：380mm×240mm，公差等级IT11，两个半圆半径2-R120，最外层由厚度25mm玻璃纤维增强环氧树脂缠绕层组成，缠绕角度45°，缠绕层抗拉强度≥350MPa。零件长度较大、外形尺寸较大，尺寸精度较高。材料为难切削材料。

1 零件工艺特点分析

零件由复合材料粘接而成，零件刚性较弱，装夹定位困难。复合材料由于纤维抗拉强度较高，粗糙的纤维断面与刀具摩擦严重，复合材料热导率较低，导致切削时切削温度高；刀具磨损严重，使用寿命低；增强纤维和基体树脂的热膨胀系数差别大，切削区温度高，容易产生残余应力；切削区高温容易导致复合材料软化、烧焦和变质。切削产生的粉尘会导致环境污染和健康损害。

2 零件加工工艺过程

2.1 加工方案

根据零件结构特点及加工精度要求，确定了采用数控铣削工艺加工。一种方案是采用车铣加工中心设备，采取一夹一顶方式，并采用环形架中间支撑（见图1）。零件平面采用盘铣刀加工，圆弧面采用4轴联动数控铣削；另一种方案在龙门镗铣床上，采用数控转台和顶尖安装零件。零件平面采用盘铣刀加工，圆弧面采用立铣刀分度数控铣削。

本文建立了零件三维实体模型，采用PRO/E软件设计了4轴联动数控铣削加工程序及后置处理，采用环向切削方式，并进行刀路仿真分析（见图1）。

2.2 切削刀具的选择

铣削零件两侧平面段时，采用直径φ200mm硬质合金涂层机夹铣刀（见图2）。铣削圆弧面时，采用直径φ40mm焊接式PCD立铣刀（见图3）。

图1 环切刀路仿真示意图a

图2 焊接式PCD立铣刀

图3 机夹硬质合金盘铣刀

表1 复合材料切削参数

2.3 切削参数的选用

根据有关资料推荐切削参数及切削试验结果，确定复合材料切削工艺参数见表1。

2.4 切削过程的分析

按照数控程序环向铣削管芯异形截面，由于铣刀直径为40mm，铣刀底齿与工件圆弧外形相切，形成中间凸起、两端凹下的连续环状切削表面形状（见图4）。

根据试切结果调整数控加工程序，将环向切削改为轴向直线切削，并按照刀具直径和工件圆弧半径计算切削精度，确定工件回转分度精度（见图5）。

按照数控程序轴向铣削管芯异形截面，在两端切入处和切出位置，出现环状刀纹，并呈凸起状（见图6）。经过分析数控程序及切削过程，找到了问题原因。产生环状刀痕的原因是：当工件在0°～90°范围内回转时切削，在两端切入处和切出位置，铣刀运动方向为离开工件中心方向，不产生环状切痕。当工件在90°～180°范围内回转时切削，在两端切入处和切出位置，铣刀运动方向为接近工件中心方向，而且随着回转位置角度的增加，刀具径向位移增大，刀具切削时产生扎入工件表面的现象，因而产生环状切痕（见图7）。

图4 零件环切表面状态示意图

图5 纵切刀路仿真示意图

图6 纵切表面状态示意图

图7 纵切刀具运动轨迹及位置示意图

根据分析结果，重新设计调整了数控程序，分两次切削，每一个程序按照轴对称位置分别切削两个半圆，解决了出现环状刀痕的问题（见图6a）。

3 结束语

本文采用三维模型CAM数控程序设计和仿真分析技术，应用于复合材料异形结构数控铣削加工，提高了复合材料异形结构件加工表面质量，提高了生产效率，实现了工程化应用，具有较好的推广应用前景。

邱家敏（1970—），高级工程师，主要从事火炮制造工艺技术研究。