（內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭，014033）

一種復(fù)合材料異形零件數(shù)控銑削工藝

邱家敏 劉慶君 任 全 林安欣

（內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭，014033）

本文介紹了一種玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料異形結(jié)構(gòu)零件的切削加工工藝，通過合理選擇加工方法、切削刀具、切削參數(shù)，優(yōu)化數(shù)控加工程序，解決了異形截面環(huán)切刀痕問題，保證零件設(shè)計(jì)圖樣要求。

復(fù)合材料； 異形結(jié)構(gòu)； 切削工藝

某產(chǎn)品復(fù)合材料管芯內(nèi)層由特種銅合金、絕緣材料粘接成型，外殼采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂纏繞成型，其截面形狀為半圓形與矩形復(fù)合異型形狀。零件纏繞成型后還需要進(jìn)行外形加工，與鋼質(zhì)外殼配合。管芯長度大于6m，截面外形尺寸高度×寬度為：380mm×240mm，公差等級IT11，兩個(gè)半圓半徑2-R120，最外層由厚度25mm玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂纏繞層組成，纏繞角度45°，纏繞層抗拉強(qiáng)度≥350MPa。零件長度較大、外形尺寸較大，尺寸精度較高。材料為難切削材料。

1 零件工藝特點(diǎn)分析

零件由復(fù)合材料粘接而成，零件剛性較弱，裝夾定位困難。復(fù)合材料由于纖維抗拉強(qiáng)度較高，粗糙的纖維斷面與刀具摩擦嚴(yán)重，復(fù)合材料熱導(dǎo)率較低，導(dǎo)致切削時(shí)切削溫度高；刀具磨損嚴(yán)重，使用壽命低；增強(qiáng)纖維和基體樹脂的熱膨脹系數(shù)差別大，切削區(qū)溫度高，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力；切削區(qū)高溫容易導(dǎo)致復(fù)合材料軟化、燒焦和變質(zhì)。切削產(chǎn)生的粉塵會導(dǎo)致環(huán)境污染和健康損害。

2 零件加工工藝過程

2.1 加工方案

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工精度要求，確定了采用數(shù)控銑削工藝加工。一種方案是采用車銑加工中心設(shè)備，采取一夾一頂方式，并采用環(huán)形架中間支撐（見圖1）。零件平面采用盤銑刀加工，圓弧面采用4軸聯(lián)動數(shù)控銑削；另一種方案在龍門鏜銑床上，采用數(shù)控轉(zhuǎn)臺和頂尖安裝零件。零件平面采用盤銑刀加工，圓弧面采用立銑刀分度數(shù)控銑削。

本文建立了零件三維實(shí)體模型，采用PRO/E軟件設(shè)計(jì)了4軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工程序及后置處理，采用環(huán)向切削方式，并進(jìn)行刀路仿真分析（見圖1）。

2.2 切削刀具的選擇

銑削零件兩側(cè)平面段時(shí)，采用直徑φ200mm硬質(zhì)合金涂層機(jī)夾銑刀（見圖2）。銑削圓弧面時(shí)，采用直徑φ40mm焊接式PCD立銑刀（見圖3）。

圖1 環(huán)切刀路仿真示意圖a

圖2 焊接式PCD立銑刀

圖3 機(jī)夾硬質(zhì)合金盤銑刀

表1 復(fù)合材料切削參數(shù)

2.3 切削參數(shù)的選用

根據(jù)有關(guān)資料推薦切削參數(shù)及切削試驗(yàn)結(jié)果，確定復(fù)合材料切削工藝參數(shù)見表1。

2.4 切削過程的分析

按照數(shù)控程序環(huán)向銑削管芯異形截面，由于銑刀直徑為40mm，銑刀底齒與工件圓弧外形相切，形成中間凸起、兩端凹下的連續(xù)環(huán)狀切削表面形狀（見圖4）。

根據(jù)試切結(jié)果調(diào)整數(shù)控加工程序，將環(huán)向切削改為軸向直線切削，并按照刀具直徑和工件圓弧半徑計(jì)算切削精度，確定工件回轉(zhuǎn)分度精度（見圖5）。

按照數(shù)控程序軸向銑削管芯異形截面，在兩端切入處和切出位置，出現(xiàn)環(huán)狀刀紋，并呈凸起狀（見圖6）。經(jīng)過分析數(shù)控程序及切削過程，找到了問題原因。產(chǎn)生環(huán)狀刀痕的原因是：當(dāng)工件在0°～90°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)切削，在兩端切入處和切出位置，銑刀運(yùn)動方向?yàn)殡x開工件中心方向，不產(chǎn)生環(huán)狀切痕。當(dāng)工件在90°～180°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)切削，在兩端切入處和切出位置，銑刀運(yùn)動方向?yàn)榻咏ぜ行姆较?，而且隨著回轉(zhuǎn)位置角度的增加，刀具徑向位移增大，刀具切削時(shí)產(chǎn)生扎入工件表面的現(xiàn)象，因而產(chǎn)生環(huán)狀切痕（見圖7）。

圖4 零件環(huán)切表面狀態(tài)示意圖

圖5 縱切刀路仿真示意圖

圖6 縱切表面狀態(tài)示意圖

圖7 縱切刀具運(yùn)動軌跡及位置示意圖

根據(jù)分析結(jié)果，重新設(shè)計(jì)調(diào)整了數(shù)控程序，分兩次切削，每一個(gè)程序按照軸對稱位置分別切削兩個(gè)半圓，解決了出現(xiàn)環(huán)狀刀痕的問題（見圖6a）。

3 結(jié)束語

本文采用三維模型CAM數(shù)控程序設(shè)計(jì)和仿真分析技術(shù)，應(yīng)用于復(fù)合材料異形結(jié)構(gòu)數(shù)控銑削加工，提高了復(fù)合材料異形結(jié)構(gòu)件加工表面質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

邱家敏（1970—），高級工程師，主要從事火炮制造工藝技術(shù)研究。