力臂調節器薄壁套筒螺旋導程槽加工改進
2019-6-24 來源：中航工業貴陽萬江航空機電有限公司 作者：汪奎
摘要：分析了薄壁套筒零件外圓螺旋槽的建模和加工方法。通過UG軟件與四軸聯動加工中心的完美結合，為類似零件的數控加工提供了新的路徑與技巧。
1. 產品結構和加工難點
圖1所示產品為全晶體力臂調節器，主要功能是調節飛機機翼的水平平衡，用于多種機型的殲擊機和其他機種。組成產品的零部件及元器件中，薄壁套筒（見圖1b）是一個重要件，它裝在產品內部，不外露。其外圓上的三處螺旋導程角是加工中的難點。
圖1 全晶體化力臂調節器
圖2 所示為該套筒的外形 尺寸 ， 其結構特點是 ： ①零件壁薄 ， 最薄處尺寸僅為0 . 925 mm 。②外圓上沿 120 °方向均勻分布 3 處螺旋槽 ， 槽寬為（10±0.008）m m，螺旋槽的 導 程 角 是 26 °± 5 ′ ， 根部R0.5 mm ，表面粗糙度值R a ＝0.4 μ m 。③薄壁外圓一端要插齒，模數m＝0.5，齒數z＝108，壓力角α＝20°，齒頂高系數ha*＝1，徑向間隙系數c*＝0.2，精度等級6h（GB 2363—2005）。④零件材料為30Cr Mn Si A（GJB 2609 — 1996 ），熱處理硬度 41～45H R C，表面處理鍍鉻5～8μm。
圖2 薄壁套筒外形尺寸
薄壁套筒的加工難點為：①薄壁件剛性較差，加工過程中產生的振動導致表面質量差，產生變形，不好保證精度。②薄壁件在外圓上插齒，插齒過程中產生的范成運動、切削運動和進給運動容易導致零件變形，齒輪精度不好保證，尤其是齒形誤差易受影響。③材料為30Cr Mn Si A，屬于中碳鋼，有較高的綜合機械性能，且熱處理硬度較高，加工中刀具磨損嚴重，生產效率受到影響。
2. 傳統加工方法及缺點
傳統的加工方法是做專用夾具在普通銑床上加工，圖3所示為專用銑床夾具，其加工原理是：把零件定位在夾具上并夾緊，手工搖動夾具手柄，帶動夾具的絲杠傳動，零件的運動有兩種，在轉動的同時向前移動，套筒上的每一點都在進行螺旋轉動。在每個完整的螺旋槽加工過程中，刀具只是固定地轉動，不進行坐標移動。
傳統加工的缺點為：①質量不穩定。螺旋槽的寬度尺寸取決于刀具的直徑，刀具直徑不合格或在加工過程中發生磨損會影響槽寬精度尺寸，加工中產生的顫動容易導致表面質量差。采用傳統的加工方法，尺寸精度最好只能達到±0.02m m，表面粗糙度值R a＝1.6～3.2μm，要達到最終設計要求，只能采用手工研磨拋光的方法。②刀具磨損嚴重。由于零件材料為30Cr Mn Si A淬火中碳結構鋼，加工中刀具磨損嚴重，每加工8～12件零件就需更換刀具。由于刀具的直徑直接決定了槽寬的尺寸，通用刀具很難達到加工要求，這就需要準備大量的專用刀具，不但刀具制造成本高，而且給管理和庫存帶來很大的麻煩。③廢品率和超差品率高。傳統加工的廢品率每批次約5 % ～ 8 % ，超差品率 1 2 % 。廢品率造成了較大的質量損失，超差品率造成了較高的返工成本，一旦尺寸超差，只能通過鉗工拋光的方式進行返工，加工效率低，返工成本高 ， 每返工 1 件需要20m i n，增加了制造成本（小時費用率）。
圖3 傳統加工專用銑床夾具
3. 毛坯類型和設備選擇
薄壁零件具有質量輕 、節約材料和結構湊的優良特 點 。 為了提高材料利用率 ， 零件外形尺寸為f 55mm /f 45.05m m×103m m，毛坯采用管狀材料 ， 尺寸為f 58mm /f40mm×105mm，材料利用率約55.6%。設備選擇CNC系統為Mazak的四軸聯動加工中心FJV-250（見圖4），主要是考慮到該機床加工范圍較大，內部功能較強，摒棄傳統銑床夾具的加工方式，通過一次裝夾自動走刀實現三處螺旋槽的加工，此外，該設備還具有如下特點：①加工的適應性強、靈活性好，能加工輪廓形狀比較復雜或難以控制尺寸的零件，如本例中薄壁槽寬（10±0.008）m m 。②能用數學模型描述復雜的曲線零件及三維空間的曲面類零件，如本例中的三處空間螺旋槽的角向尺寸26°±5′。③加精度高，加工質量穩定，尺寸一致性好以及減輕操作者的勞動強度，可以有效避免本例中刀具磨損后的槽返工周期及返工成本。
圖4 四軸聯動加工中心
4. 模型的建立
齒槽寬三維模型的建立是比較關鍵的，也是UG編程中比較生僻的環節，對初學編程的人員來說有一定的難度。特別是纏繞曲線和掃掠成形，更是三維模型建立的難點和重點。
（1）螺旋槽寬邊界線段的形成和纏繞曲線。坐標原點移至端面截面的最頂點，在XOY平面內沿X 向畫一條26°線并派生直線，生成寬度為10mm的兩條槽寬邊界線段。U G軟件插入→來自曲線集的曲線→纏繞/展開曲線。選擇曲線：兩條槽寬邊界線段（見圖5上面兩條曲線）；選擇面：圓柱體外圓柱面；指定平面：X O Y 平面（兩線段所在平面），確定并生成兩條沿圓柱體的纏繞曲線（見圖5下面兩條曲線）。
圖5 槽寬邊界線段的形成和纏繞曲線
（2）螺旋槽輪廓界面的建立及模型的形成。首先，要畫出掃掠界面。在端面頂點沿垂直于邊界線段構成的平面內畫對稱矩形界面，矩形的寬度為槽寬1 0 m m ，寬度方向只需保證高出圓柱頂面和低于內孔頂面即可（便于掃掠后進行布爾運算）。其次，UG模型界面中插入/掃掠/掃掠→截面選擇曲線：端面界面框；引導線選擇曲線：選擇一條纏繞線；定位方法：選擇另一條曲線/點另一條纏繞線，確定并形成螺旋槽實體輪廓（見圖6）。
圖6 螺旋槽輪廓界面的建立及模型的形成
（3）陣列螺旋槽輪廓模型并布爾運算形成螺旋槽。首先在端面截面均布陣列三處螺旋槽輪廓模型。用實例幾何體指令，類型選擇旋轉，選擇對象：點已生成的纏繞體；指定矢量：－XC（將坐標原點移動到端面中心，沿軸線方向的坐標）；指定點：端面中心點；角度120°、副本數2。布爾運算中的求差方法形成三處螺旋槽，再運用建模、裁剪及布爾運算補全其他部位（見圖7）。5. 刀具的選配刀具的選配主要考慮通用化和降成本。①普通A型f4mm鉆鉆中心孔，目的是為后續刀具進行引導，防止刀具偏移，保證下刀點對整個外圓的對稱度。在加工中，刀具剛開始受工件力的影響很大，容易發生偏移，導致鉆孔時孔的誤差較大，達不到設計要求公差范圍或起不到良好的引導作用，用A4中心鉆先預打一個小孔或凹槽，鉆頭的頭部沿著此小孔或凹槽鉆下去，保證四周受力均勻，減少誤差。②普通f 6mm鉆頭鉆孔，目的是在螺旋槽圓柱體外圓的最高點部分鉆出一個空間區域，為后續立銑刀粗加工創造出下刀的均勻受力空間區域。③通用立銑刀f 8mm粗銑槽，槽的最終尺寸是10mm，留2mm余量（單邊1mm）進行最后精銑。④通用立銑刀f 3mm沿螺旋槽內壁四周走一圈，精加工至最終尺寸。通過引導→鉆引導空間區域→粗加工→精加工步驟和精加工中移動軌跡的閉路循環，完全可用通用銑刀代替專用刀具，既降低了成本，也避免了刀具損耗帶來的加工和返工困擾。
圖7 布爾運算形成螺旋槽并補全其他部位
6. 程序的優化
在保證質量的前提條件下，追求高效率和避免動作浪費是企業生產改善的追求方向，本程序只需建立4個操作即可完成整個螺旋槽的加工。
（1）中心鉆引導操作（用鉆孔操作“DRILLING”）。這個操作的注意點是：防止中心鉆斷裂。中心鉆一般由高速鋼材料制成，鉆孔部位直徑比較小，實際加工中易折斷（數控加工過程中折斷是不易被發現的），加工中要加潤滑液，利于切屑的排出，保證通暢不被卡住或折斷。進給速度150m m/m i n，主軸轉速2 500r/min，切削速度200mm/min，逼近速度2 000mm/min，進刀速度1000mm/min，移刀速度3 000mm/min。
（2）鉆出引導空間區域操作
（用鉆孔操作“DRILLING”）。
本操作很簡單 ， 其目的就是在銑刀下刀點鉆出一個f 6 mm孔的空間區域 ， 保證銑削 力度均勻 。 進給速度 2 0 mm /min ，主軸轉速 2500 r / min ，切削速度 250mm / mi n ， 逼近速度2 000m m/m i n，進刀速度 1000 mm / min 、 移刀速度4000mm/min。
（3）粗加工操作（用型腔銑“CAVITY_MILL”）。加工出整個螺旋槽的外形形狀，留少許余量最后成形。主軸轉速5 500r/m i n，切削速度1 800m m/m i n，逼近速度3 000mm/min，進刀速度800mm/min，第一刀切削速度800m m/m i n，移刀速度5000m m/min。
（ 4）精加工操作（用平面銑“PLANAR_MILL”）。沿封閉的螺旋槽四周精加工一圈，完成整個螺旋槽的最終形狀尺寸要求。主軸轉速6000r/min，切削速度2500mm/min，逼近速度3000 mm / min ， 進刀速度 1 200m m/min，第一刀切削速度 1200 mm / min ， 移刀速度 5000mm/min。
程序的編制因個人的編程風格和習慣不同，沒有一個標準模式。以上操作中的切削參數不是唯一的，僅供參考。
7. 加工結果
尺寸精度分布區域表
經過多年的加工，零件質量穩定，尺寸參數在規定的公差區間合理分布（見附表），外觀質量美觀，可靠地解決了薄壁類套筒零件螺旋導程槽的加工和質量問題，為該類零件的加工提供了新的方法和技巧。該類零件無論是軍用、民用還是應用于其他領域，都很普遍。
8. 結語
該零件批量大 ， 經多年的加工驗證，其尺寸精度、表面粗糙度、幾何誤差、生產效率和裝配性能在傳統的基礎上都得到很大的提升。對操作者的要求也不高，只需具備金屬切削加工基礎知識（如刀具材料、切削數據和冷卻方式等）和了解CNC數控系統的構成和工作方式（如調試、刀補及程序調用等），即可自行建模、自行編程和自行加工。
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