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如何仿形车削加工复杂零件

2021-11-30 18:00:18数控基础访问手机版252

在机械加工中,一些结构复杂的零件,其加工工艺是很复杂的,有时还要求操作者能在最短的时间内将工件加工出来,尤其是难加工材料的工件,其加工工艺更为复杂。为此,制造厂家不断地寻求更加经济有效的方法来加工复杂零件,包括车削零件。CNC机床的先进性已使我们对几乎可想象到的刀具轨迹进行编程。但是当刀具沿着这些轨迹运动时,其刀具和零件之间的关系(切入角、进给量、切削速度和深度)持续发生着变化。所以,解决上述问题的关键在于如何以最有效和经济的方式车削复杂零件。  

复杂性的含义

复杂的车削加工可能是刀具在径向和轴向上同时进给的加工以形成不同的零件廓形。除此之外,其它复杂因素还包括工件材料的可加工性、期望的产量和机床能力,当然也有交货期及加工成本。应当注意的是一个车间认为复杂的零件也许被另一个车间认为是常规零件,即零件的复杂性并不总是很明显的。

Voss工业公司的John Campell先生指出,一个看起来简单的零件或许比一个复杂形状的零件更具挑战性。他将718镍合金法兰的车削加工与螺旋管接头的加工作了一个比较。尽管螺旋管接头要求10次安装和24道工序,但一旦安装好开始加工后,这个过程就不再需要调节。另一方面,718合金法兰在加工过程中要求连续进行调节以补偿材料回弹、收缩和刀具磨损。另外,不同材料、同样形状的工件对切削力的反应不同。以法兰为例,在材料规定的范围内,镍和铬元素的变化可能使一批材料与另一批材料以及零件与零件之间的切削条件发生变化。 

选择刀片几何形状

车削一个复杂零件,最基本的要求是切削刃能够进入到零件廓形所在的区域。这要求选择适当的刀片形状、主偏角、副偏角、前角和后角。当选择刀片形状时,关键是应考虑刀片的强度。其中,圆刀片的强度最高。对非圆形刀片,刀尖角越大,其强度越高。但是由于隙角的原因,仿形车削通常使用35°或55°的菱形刀片。刀杆的选择实际上由所要求切入的轨迹来决定,如果需要进行复杂的仿形车削,则可选择安装菱形刀片的J型刀杆,这样可形成较大的后角。

刀片的刀尖角和主偏角一起决定着刀具能否进入工件轮廓;工件和刀片主切削刃之间的间隙、副后刀面及其下半部分的后角至关重要。我们常常靠估计、经验来判定刀具能否进入到工件及其相关的后角。这种方法很费时。现在CAD作图和切削模拟软件在计算机显示屏上进行模拟切削而不需要在实际零件上进行。  

美国绿叶公司的Dale Hill说,他们公司直接根据顾客提供的CAD图纸进行刀具设计。设计人员可以看出刀具是否需要铲背或刀具能否进入一个深槽区域。对于一些真正复杂廓形的零件,采用标准刀具通常是不可行的,因为它们通常不能进入到复杂零件的凹腔和拐角处。而计算机模拟可以加速专用刀具的设计。 

刀片后角

刀片的主前角和副前角将决定后刀面和工件间的后角。不同的材料要求不同的后角。例如当加工韧性材料,尤其是镍基合金时,其回弹性非常大。这些合金会在切削刃前面鼓起,在切削刃通过后产生回弹。这些回弹的工件将刮擦后刀面,并产生大量的切削热。另外镍基材料的加工硬化也会产生切削热,最终导致刀具热失效。失效形式可能是崩刃,但切削刃的热膨胀将导致刀具断裂。

钛金属材料可能回弹0.05mm和0.08mm,因此加工这类材料时要求在后刀面和工件之间有14°或15°的后角,以防止热失效。然而钛和塑料有相似的回弹性。当加工钛金属时,后角太小将造成刀片热失效。这样的刀具在加工塑料时,由回弹产生的切削力和切削热将融化塑料工件。 

刀片的后角不能过大,过大的后角将会降低刀片的强度;无后角刀片有足够的强度,但必须安装在负前角的刀杆上以形成足够的后角。使用一个有正前角槽形的无后角刀片可保证需要的刀片强度,又可形成正前角的切削。 

切削力和切屑控制

工件、刀具和车削系统中其它因素之间关系的变化将影响有效的切屑控制。例如,在仿形车削加工中,当刀片从工件中心向外移动时,切屑厚度变薄,切刀深度增加,切屑控制恶化。一个解决方法就是将一次走刀分为两次走刀,将向外的进给换成向中心的进给,以获得最终的廓形。

薄壁细长零件难以装夹,切削力可能引起工件变形和极差的表面粗糙度甚至使零件报废。一个专门设计的、可控制切屑的刀片可以减小这种变形。绿叶公司提供一种名为TurboForm的精加工硬质合金刀片,它有很大的正前角和压制的断屑器,所以产生的切削力很低。同时,该刀片的周边经过精密磨削,故具有很高的光洁度。如一个航空制造商在加工喷气式发动机压缩机的薄壁密封钛零件时,由于刀具振动使得刀片崩刃和加工表面光洁度降低。在使用TurboForm刀片后,消除了刀片振动和工件变形的现象,延长了刀具的寿命。 

如果工件材料的可加工性造成了车削加工的复杂性,则由两种材料构成的零件可能双倍加大这种复杂性。因此当加工由多种材料构成的零件时,一个办法就是选择可加工不同材料的刀片牌号。例如当加工内部为4340钢、外部为镍基合金的零件时,制造者必须在编程时增加一暂停程序,以便更换刀片。使用两种不同牌号的刀片进行加工,其刀片寿命仍很低时,则推荐使用日本住友电工公司的AC2000 CVD涂层刀片,通过改变进给量和切削速度来加工上述两种材料,不必停机更换刀片,显著地提高了刀具寿命。 


修磨

一些零件轮廓不能简单地使用现成的刀片进行加工。在使用负前角J型刀杆进行切入式切削时,35°刀片的副后刀面的下半部分可能与工件发生碰撞,引起刀片断裂。防止这种情况的一个方法就是磨去妨碍切削的这个部分。

汽轮机管路系统制造商Jeff Carver先生说,他们经常使用非常锋利的刀具来加工零件,因为经常没有标准的刀具,因此需要经常修磨刀具。

尽管一些制造厂商喜欢库存的标准刀片,通过修磨来满足特定的加工要求,但这些修磨的刀片也可直接从刀具生产厂家购买,因为他们已为加工某些特殊零件准备了专用的刀片。当一把修磨的刀具在一次走刀中不能满足要求时,唯一选择就是停机,使用另一种刀片来完成切削。不足之处是要花费时间,并且要中断一次走刀,这将在工件上留下刀痕。  

机床

CNC机床制造商不断引进先进技术来简化复杂零件的车削。比较典型的就是Mazak公司的多功能车/铣床。这些机床像一台在工作台一端有车削主轴的加工中心。机床的B轴在加工中能沿零件径向转动225°,这使刀尖半径始终在与切削相切的方向上,可用一把刀完成多道工序。

总之,金属切削学科的进步必将使复杂零件的车削变得更容易,要想经济有效地加工一些复杂零件,还是需要工艺因素的配合。

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