1 序言
罩殼一般作為密封件，在裝配前需經(jīng)過氣、水等壓力試驗，確保該產(chǎn)品不會出現(xiàn)滲漏，以保證其裝配使用的密閉性，多為整體鑄件或焊接件，形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變、大小不一、內(nèi)部呈腔形、壁薄且不均勻。在生產(chǎn)制造中，既有精度要求較高的孔系、密封槽和平面，也有許多異形圓角、凸臺和不規(guī)則曲面等，加工制造難度大[1]。
2 零件結(jié)構(gòu)和工藝分析
2.1 零件結(jié)構(gòu)分析
該罩殼屬于箱體類零件，是一個半封閉式的多面體，空腔、內(nèi)壁不均勻，結(jié)構(gòu)多為不規(guī)則，主要用于保證機體內(nèi)整潔、降低機體在工作過程中產(chǎn)生的噪聲，同時可以起到美化外觀的作用。在機械加工中，加工要素多，加工量大，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，致使工藝復(fù)雜[2]。
圖1 罩殼工藝要求
2.2 工藝分析
罩殼：毛坯為整體鑄鐵件，表面質(zhì)量要求嚴，材料不易加工，刀具磨損快，空間曲面加工難度大。罩殼零件如圖1所示，在法蘭背面有左、右兩邊圓弧，中間由14mm筋板隔開，左右為對稱結(jié)構(gòu)，上下單邊留有側(cè)邊，表面粗糙度值Ra=1.6μm。
2.3 難點分析
該罩殼屬于箱體類零件，材料QT400-15為球墨鑄鐵件，強度高、韌性好，具有耐磨、吸振和抗氧化的特點，但是切削加工性能差。根據(jù)圖樣要求，連接法蘭背面需要全部加工。其中圓弧左右對稱分布，中間由筋板隔開，加工圓弧曲面整體垂直于刀具軸線，加工曲面時需把刀具幾何尺寸擬合到曲面刀路中，才能保證最終曲面的型線符合工藝要求。如圖1筋板厚度為（16±0.025）mm、（14±0.02）mm、根部圓角R（82.5±0.025）mm，加工精度高、表面質(zhì)量要求嚴格。由于法蘭背面被筋板隔開，因此使用三面刃銑刀或者車床會發(fā)生干涉，無法加工[3]。
3 工藝流程與數(shù)控加工方法
3.1 加工方法
該零件圓弧曲面雖為回轉(zhuǎn)面，但其形狀和結(jié)構(gòu)為箱體類零件（見圖2），故不適用于選擇車削類機床。法蘭背面由3個筋板隔開，根部圓角過渡，背面、正面尺寸精度和表面粗糙度要求高，可選擇在三軸與多軸銑床上加工。在多軸加工中，由于刀具和工件的相互位置在加工中隨時變化，所以可一次裝夾完成全部加工，獲得最優(yōu)的加工條件。但其采購成本和軟件成本遠遠高于三軸，維護和保養(yǎng)成本過高，對于操作人員的操作技能要求也較高，致使勞動成本過高。三軸機床中刀軸矢量不變，在Z軸的法相面內(nèi)加工，使用聯(lián)動擬合可以完成空間曲面加工，而且可以獲得更好的系統(tǒng)剛性。由于該產(chǎn)品為大件、小批量生產(chǎn)方式，所以無需定制工裝，采用現(xiàn)有通用等高墊塊及下壓式壓板進行定位裝夾，即可滿足此產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。經(jīng)現(xiàn)場測量機床銑頭、分析罩殼加工要素，可以選用球頭銑刀在ZY平面內(nèi)，沿著Z軸方向在空間提升出曲面圓角，以獲得更好的曲面加工精度、質(zhì)量和效率，以及最佳的性價比。
圖2 罩殼毛坯
3.2 刀具方案
刀具的選擇和切削用量的確定是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，不僅影響數(shù)控機床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量，同時使整個加工成本變化。結(jié)合機床的特點、工件材料的性能、裝夾和工藝要求，選取三面刃銑刀、立銑刀和球頭銑刀進行加工。由于法蘭背面三段筋板均勻間隔90°，因此使用三面刃銑刀反銑筋板根部殘余較多，可以利用立銑刀側(cè)刃沿著圓弧方向全部加工。根部圓弧曲面為立體型面，從下向上形成，應(yīng)采用半徑小于或等于曲面最小曲率半徑的球頭刀具進行插補銑削。經(jīng)測量毛坯單邊6mm余量較大，為了保證加工剛性與效率，選用圖3所示規(guī)格為φ20mm×80mm×150mm×4F（YT）立銑刀和R10mm×80mm×150mm（YT）球頭銑刀。
圖3 立銑刀（下）與球頭銑刀（上）
3.3 切削方案
在切削加工中，根據(jù)工件的實際加工情況，為保證加工圓角曲面的精度和表面粗糙度，由下向上采用順銑依次銑削。將刀具起點和刀具設(shè)定點分開。在確保安全的前提下，刀具起點應(yīng)盡可能靠近工件，以減少空轉(zhuǎn)刀具行程，縮短進給路徑，并節(jié)省加工過程中的執(zhí)行時間。由于毛坯余量較大，因此應(yīng)采用循環(huán)的加工方法按圖4依次銑削，在YZ方向上逐漸去除余量，給精加工預(yù)留0.2mm余量，期間注意進給和退刀點應(yīng)垂直于Z軸方向，進給速度不能為“G0”， “G0”命令應(yīng)避免“Y、Z”同時移動。
刀具切削參數(shù)選用：φ20mm立銑刀，刀具材質(zhì)支持線速度vc為90~120m/min，背吃刀量ap為0.3~2mm，進給量fz為0.07～0.3mm/z。
R10mm×80mm×150mm（YT）球頭銑刀，刀具材質(zhì)支持線速度vc為120~150m/min，背吃刀量ap為0.3～0.8mm，進給量fz為0.11~0.18mm/z。
因毛坯為整體鑄件，受鑄造工藝影響，毛坯表皮偶有硬點、氣孔和夾砂等情況。為了降低質(zhì)量風險，保證切削穩(wěn)定性，經(jīng)過試件調(diào)試驗證，最終φ20mm立銑刀切削參數(shù)選用為vc=92m/min，n=1465r/min，ap=1.5mm，fz=0.07mm/z，vf=410mm/min；R10mm球頭銑刀切削參數(shù)選用為vc=130m/min，n=2070r/min，ap=0.5mm，vf=228mm/min。經(jīng)過一批次12件加工，運用上述切削參數(shù)，加工質(zhì)量和穩(wěn)定性較好、刀具耐用。
圖4 走刀路線
3.4 編制程序
根據(jù)零件圖樣幾何尺寸，計算刀具中心運行軌跡數(shù)據(jù)。由于圓弧曲面在YZ平面內(nèi)，所以使用球頭銑刀加工時，需要計算接觸點坐標值，通過點位逼近來完成R82.5mm圓弧銑削。數(shù)值計算的最終目的是為了獲得編程所需要的所有相關(guān)位置坐標數(shù)據(jù)。根據(jù)圖5通過三角函數(shù)計算Y、Z坐標值：Y=Rcosα，Z=Rsinα。
圖5 坐標計算原理
在編制Heidenhain數(shù)控程序時，設(shè)Q1=17為起始角度，Q2=0.1為角度增量，Q3=+76.5為終止角度，Q4=92.5（R=82.5+10）為圓弧半徑，Q1=Q1+Q2為角度增加變量。程序編制完成后，在正式用于生產(chǎn)加工前，必須進行程序運行檢查。在特殊情況下，還需做零件試加工檢查。根據(jù)檢查結(jié)果，對程序進行修改和調(diào)整，檢查修改再檢查再修改，這往往要經(jīng)過多次反復(fù)，直到獲得完全滿足加工要求的程序為止。
56 TOOLCALL“D20-QTD”Z S500
57L Z+100 R0 FMAX
58L X-50 Y-150 R0 FMAX
59L Z+26R0 FMAX
60 L X+32 R0 F1000
61 L Y-88.771
62 FN 0:Q1 =+17；起始角度
63 FN 0:Q2 =+0.1；角度增量
64 FN 0:Q3 =+76.5；最終角度
65 FN 0:Q4 =+92.5；圓弧半徑
66 FN 0:Q5 =+0
67 FN 0:Q6 =+0
68 LBL.2
69 Q1=Q1+Q2；角度增加變量
70 Q5=Q4×COS Q1；循環(huán)計算Y值
71Q6=Q4×SIN Q1；循環(huán)計算Z值
72 L Y-Q5 Z+Q6 R0 F1000
73 FN 12：IF+Q1LT+Q3 GOTO LBL 2；循環(huán)判斷
74L Y-21 Z+90.085
75L Z+100 FMAX；退刀
76 M0
4 調(diào)試加工與檢驗
程序中曲面圓角的加工原點為法蘭中心，即G54中的X0、Y0、Z0在法蘭的上表面。使用尋邊器X向、Y向分中后，把機械坐標輸入到對應(yīng)的G54里。Z向用心棒或基準刀與法蘭外圓貼合后，計算Z值輸入到G54里。加工前讓機床空運行，以檢查刀具運動軌跡的正確性。調(diào)試中可根據(jù)實際情況，適當調(diào)整加工中的主軸轉(zhuǎn)速和進給倍率（加工過程見圖6），以達到最佳切削性能。首件完成后送檢三坐標計量儀計量線性尺寸、幾何公差和表面粗糙度，檢測結(jié)果符合工藝要求。
圖6 曲面圓角加工
5 結(jié)束語
通過球頭銑刀的特殊運用，經(jīng)過多次嘗試試驗，最終確定了加工該罩殼曲面的工藝方案，成功解決了罩殼空間圓弧曲面難加工、加工要素多、加工精度高及表面粗糙度要求嚴格等難點問題。確保了罩殼加工的正確性，提高了加工質(zhì)量的可控性和穩(wěn)定性，最終形成批量生產(chǎn)能力。同時該方法具有廣泛的實用性，可為同類曲面加工應(yīng)用提供幫助與借鑒。
