本文摘要：【摘要】本文研究了柔性生產線的基本結構以及加工復雜殼體時刀具的選擇及壽命評估。 關鍵詞： 柔性生產線 刀具 復雜殼體 壽命評估 PCD 1 概述 1.1 項目背景 復雜殼體類零件是發動機燃油系統產品的關鍵零件，復雜殼體加工技術經過公司近幾年的發展，在數控加
【摘要】本文研究了柔性生產線的基本結構以及加工復雜殼體時刀具的選擇及壽命評估。
關鍵詞： 柔性生產線 刀具 復雜殼體 壽命評估 PCD
1 概述
1.1 項目背景
復雜殼體類零件是發動機燃油系統產品的關鍵零件，復雜殼體加工技術經過公司近幾年的發展，在數控加工和檢測計量方面有了較大的進步，但仍還存在加工質量不穩定、加工效率低等問題。殼體類零件結構復雜、精度要求高，殼體空間油路多，位置尺寸精度要求高。傳統的復雜殼體加工技術，大多是采用立式加工中心和銑床等加工殼體孔系，加工工序多達800多道;由于復雜殼體的孔系眾多，孔的尺寸精度和位置精度要求高，孔的位置精度難以保證，造成油路孔加工質量不穩定;零件加工工序長，零件周轉周期長，加工效率低，加工周期難以控制。而柔性生產線的組件，轉變了生產模式、提升零件質量、提高生產效率。
機械工程評職知識：機械工程論文發表方法
在航空機械中，由于減重要求大部分殼體采用的材料均為鑄鋁，特點是加工部位多，工序長，所需的刀夾量具數量較多，現通過理論實際經驗和實際加工試驗分析生產線刀具的有效方案。
2 工序解析
2.1 傳統工藝工序解析
在傳統工藝中，對復雜殼體每個面上的面、孔系和油路進行分散加工，由于單體刀庫裝刀較少造成零件拆卸次數較多，造成每一件零件刀具對工藝基準中心誤差次數較多質量一次性差。
2.2 智能化生產線方案介紹
智能柔性生產線，主要由“一臺智能數控計算機、一個智能多層托盤庫、兩個上料站、兩臺智能臥式加工中心一臺智能五軸加工中心和三個智能堆升降機等”組成。主要功能和原理：智能數控計算機執行高級計算和控制功能，如人工指令、復雜控制算法、命令發送等,通過人工智能數控程序,控制復雜殼體的機械加工過程，以充分發揮自動化加工設備的加工潛力，提高加工效率，具有和外部環境交互的能力;智能臥式和五軸加工中心以信息物理應融合數據進行端到端連接，配置智能刀具庫、智能在線監測設備和自適應控制器，實現自適應柔性加工復雜殼體，具有一定的自修復能力，以提高智能機器運行的安全性和可靠性;智能多層托盤庫將需要機加的殼體和夾具等安裝在多層托盤上，由智能堆垛升降機根據智能數控計算機的控制程序，自動交換和運輸復雜殼體和夾具到達需要機加的工序位，按照不同復雜殼體的數控程序要求，實現24小時自動化連續加工，具有開放式體系結構，以支持智能柔性生產線的集成和擴展。
智能化生產工藝將原來分工序加工的孔系，油路，斜孔，面由一次裝夾完成，更好的控制了尺寸公差，位置公差和表面質量使得零件的一致性得到了極大的提高。
3.智能化生產線大刀具庫介紹
整個智能生產線共有三臺機床(兩臺臥式加工中心，一臺五軸加工中心)，分別編號為1#機，2#機和3#機，其中3#機為五軸加工中心，其余兩臺為臥式加工中心。如圖5所示，1#機和2#機在機床右側有一處大刀具庫，該刀具庫可最多擺放160把不同刀具。3號機在機床左側有一處大刀庫，該刀具庫最多擺放120把不同刀具。
大刀庫為一個鏈條式智能旋轉結構，含有兩個換刀臂，每處刀庫均編有編號，在每個刀具位有編號，用數控程序控制加工刀具且當本工序刀具正在使用時，大刀具庫會根據程序將下道工序需要用的刀具放置在滑軌處，當本工序加工完成完成后，下工序的刀具迅速補上，用完的刀具通過另一處滑軌回到大刀具庫的原位上，實現快速刀具補償，節省換刀時間。
4.刀具材料介紹
在機械加工行業中，對切削刀具的材料有極高要求且不同的材料的加工基體選擇不同材料的刀具，在現階段行業內常用的刀具材料基本分為以下三種：
4.1高速鋼
高速鋼是一種加入了較多鎢、鉬、釩等合金元素具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼。有較高的熱穩定性，較高的強度、韌性、硬度和耐磨性;其制造工藝簡單、容易磨成鋒利的切削刃，可鍛造，對于一些形狀復雜的成型刀具，齒輪刀具等尤為重要。由于高速鋼的硬度、耐磨性不及硬質合金，因此只適于制造中、低速切削的各種刀具。
4.2：硬質合金
硬質合金由難熔化合物(如：WC、TiC)和金屬粘結劑(Co)通過粉末冶金法制成。
因含有大量熔點高、硬度高、化學穩定性好、熱穩定性好的金屬碳化物，硬質合金的硬度、耐磨性和耐熱性都很高。硬度可達HRA89~93，在800~1000°C還能切削，耐用度是高速鋼高幾十倍同時切削速度也比高速鋼提高了4~10倍。唯抗彎強度較高速鋼低，沖擊韌性差，切削時不能承受較大的振動和沖擊負荷。
當碳化物含量較高時，硬度高，但抗彎強度低;粘結劑含量較高時，抗彎強度高，但硬度相對較低。
現階段硬質合金刀具大量應用在數控機械加工上，已逐漸取代了高速鋼在機械加工刀具的市場份額。
4.3 金剛石刀具
金剛石是碳的同素異構體，它是自然界發現的最硬的材料之一。金剛石刀具具有高硬度，高耐磨性和高導熱性能，可實現高效率、高穩定性、長壽命的特點，因此金剛石刀具成為現代數控加工中不可缺少的重要工具。PCD金剛石刀片可以實現精切削，高粗糙度的加工，PCD金剛石刀片的壽命為硬質合金的10~100倍摩擦系數低加工變形小，可減少切削力，最高可達0.002~0.008μm，可進行超薄切削和超精加工。
PCD金剛石刀具的缺點在于熱穩定性較差，切削溫度超過700°C~800°C時就會完全失去其硬度;此外不適合切削黑色金屬，因為金剛石在高溫下容易與鐵原子產生化學作用使C元素轉化為石墨結構，刀具極易損壞。
上介紹，結合生產線加工的產品均用鑄鋁且加工時連續不斷的的特點，刀具需要有較好的切削性能，保證連續生產不產生斷刀而影響加工。故在粗加工，粗精加工，精加工時采用不同材料的刀具來進行加工。
粗加工和粗精加工時大部分采用硬質合金刀具，主要看中其切削強度好，可切削耐磨性及耐用性較高的特點。根據精加工尺寸余量小，精度高且粗糙度要求高的特點，選用PCD金剛石刀具進行加工以保證精加工所要求的精度及粗糙度。
5.特殊刀具樣式選擇
在生產線加工零件時，通常會遇到各式各樣不同形狀樣式的加工面，在一些要求特殊或形狀特殊的情況下需要用到組合刀具或者特殊刀具，根據要求的不同選擇不同的刀具進行加工。
按圖8所示，孔和孔在精加工時設計一把組合刀具同時加工;孔和孔在精加工時設計一把組合刀具同時加工。好處是一次加工零件可以使零件尺寸，粗糙度及形位公差更加穩定，刀具材料選用PCD金剛石涂層刀具使得刀具有較高強度不易磨損。
按圖9所示，對于細長孔的加工，選擇一種深冷鉆即鉆頭中間可以噴出冷卻液的鉆頭，材料采用硬質合金保證連續加工時孔的精度，排屑和保證孔的直線度，由于硬度較高在加工鑄鋁時鉆頭不易斷裂。
6.刀具壽命評估
根據實際情況，現在生產線加工中每10件~15件零件測量實際尺寸，按80-20原則，當尺寸在公差范圍內但超過標準差80%外時連續測量3件，當3件中有一件依然超過該標準時選擇更換刀具;當尺寸以及超過名義公差時立刻更換刀具并檢查之前加工的零件是否在合格尺寸范圍內。
例：如加工一處Φ23+0.033的孔時，公差為0.033，當加工零件的公差超過了0.033X0.8=0.0264時即尺寸在Φ23+0.0264的范圍內時認為刀具可以繼續使用，當尺寸在Φ23.0.264~Φ23.033時持續更進，若后續三件中出現一件還在此范圍內選擇更換刀具消除隱患，若零件尺寸已經超過Φ23.033時則立即更換刀具并測量之前加工零件是否合格。
7.結論
根據以上分析，介紹了生產線的基本形成，生產線刀架的轉換，生產線刀具的選擇及壽命評估方式。該文的刀具選擇不僅可以用于生產線的加工，在單件加工較多零件時也可作為參考。柔性生產線已經經過了實際驗證，用現行刀具已經加工了上百件復雜殼體均已順利交付。
參考文獻
《殼體智能柔性生產線應用研究》。 劉安用
《LGMazak設計說明書》。 YAMAZAKI MAZAK CORPORATION
《OPERATING MANUAL 操作說明書》。 YAMAZAKI MAZAK CORPORATION
作者：徐旻熹
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