本文摘要：【摘要】本文研究了柔性生产线的基本结构以及加工复杂壳体时刀具的选择及寿命评估。 关键词： 柔性生产线 刀具 复杂壳体 寿命评估 PCD 1 概述 1.1 项目背景 复杂壳体类零件是发动机燃油系统产品的关键零件，复杂壳体加工技术经过公司近几年的发展，在数控加
【摘要】本文研究了柔性生产线的基本结构以及加工复杂壳体时刀具的选择及寿命评估。
关键词： 柔性生产线 刀具 复杂壳体 寿命评估 PCD
1 概述
1.1 项目背景
复杂壳体类零件是发动机燃油系统产品的关键零件，复杂壳体加工技术经过公司近几年的发展，在数控加工和检测计量方面有了较大的进步，但仍还存在加工质量不稳定、加工效率低等问题。壳体类零件结构复杂、精度要求高，壳体空间油路多，位置尺寸精度要求高。传统的复杂壳体加工技术，大多是采用立式加工中心和铣床等加工壳体孔系，加工工序多达800多道;由于复杂壳体的孔系众多，孔的尺寸精度和位置精度要求高，孔的位置精度难以保证，造成油路孔加工质量不稳定;零件加工工序长，零件周转周期长，加工效率低，加工周期难以控制。而柔性生产线的组件，转变了生产模式、提升零件质量、提高生产效率。
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在航空机械中，由于减重要求大部分壳体采用的材料均为铸铝，特点是加工部位多，工序长，所需的刀夹量具数量较多，现通过理论实际经验和实际加工试验分析生产线刀具的有效方案。
2 工序解析
2.1 传统工艺工序解析
在传统工艺中，对复杂壳体每个面上的面、孔系和油路进行分散加工，由于单体刀库装刀较少造成零件拆卸次数较多，造成每一件零件刀具对工艺基准中心误差次数较多质量一次性差。
2.2 智能化生产线方案介绍
智能柔性生产线，主要由“一台智能数控计算机、一个智能多层托盘库、两个上料站、两台智能卧式加工中心一台智能五轴加工中心和三个智能堆升降机等”组成。主要功能和原理：智能数控计算机执行高级计算和控制功能，如人工指令、复杂控制算法、命令发送等,通过人工智能数控程序,控制复杂壳体的机械加工过程，以充分发挥自动化加工设备的加工潜力，提高加工效率，具有和外部环境交互的能力;智能卧式和五轴加工中心以信息物理应融合数据进行端到端连接，配置智能刀具库、智能在线监测设备和自适应控制器，实现自适应柔性加工复杂壳体，具有一定的自修复能力，以提高智能机器运行的安全性和可靠性;智能多层托盘库将需要机加的壳体和夹具等安装在多层托盘上，由智能堆垛升降机根据智能数控计算机的控制程序，自动交换和运输复杂壳体和夹具到达需要机加的工序位，按照不同复杂壳体的数控程序要求，实现24小时自动化连续加工，具有开放式体系结构，以支持智能柔性生产线的集成和扩展。
智能化生产工艺将原来分工序加工的孔系，油路，斜孔，面由一次装夹完成，更好的控制了尺寸公差，位置公差和表面质量使得零件的一致性得到了极大的提高。
3.智能化生产线大刀具库介绍
整个智能生产线共有三台机床(两台卧式加工中心，一台五轴加工中心)，分别编号为1#机，2#机和3#机，其中3#机为五轴加工中心，其余两台为卧式加工中心。如图5所示，1#机和2#机在机床右侧有一处大刀具库，该刀具库可最多摆放160把不同刀具。3号机在机床左侧有一处大刀库，该刀具库最多摆放120把不同刀具。
大刀库为一个链条式智能旋转结构，含有两个换刀臂，每处刀库均编有编号，在每个刀具位有编号，用数控程序控制加工刀具且当本工序刀具正在使用时，大刀具库会根据程序将下道工序需要用的刀具放置在滑轨处，当本工序加工完成完成后，下工序的刀具迅速补上，用完的刀具通过另一处滑轨回到大刀具库的原位上，实现快速刀具补偿，节省换刀时间。
4.刀具材料介绍
在机械加工行业中，对切削刀具的材料有极高要求且不同的材料的加工基体选择不同材料的刀具，在现阶段行业内常用的刀具材料基本分为以下三种：
4.1高速钢
高速钢是一种加入了较多钨、钼、钒等合金元素具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性;其制造工艺简单、容易磨成锋利的切削刃，可锻造，对于一些形状复杂的成型刀具，齿轮刀具等尤为重要。由于高速钢的硬度、耐磨性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。
4.2：硬质合金
硬质合金由难熔化合物(如：WC、TiC)和金属粘结剂(Co)通过粉末冶金法制成。
因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA89~93，在800~1000°C还能切削，耐用度是高速钢高几十倍同时切削速度也比高速钢提高了4~10倍。唯抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受较大的振动和冲击负荷。
当碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低;粘结剂含量较高时，抗弯强度高，但硬度相对较低。
现阶段硬质合金刀具大量应用在数控机械加工上，已逐渐取代了高速钢在机械加工刀具的市场份额。
4.3 金刚石刀具
金刚石是碳的同素异构体，它是自然界发现的最硬的材料之一。金刚石刀具具有高硬度，高耐磨性和高导热性能，可实现高效率、高稳定性、长寿命的特点，因此金刚石刀具成为现代数控加工中不可缺少的重要工具。PCD金刚石刀片可以实现精切削，高粗糙度的加工，PCD金刚石刀片的寿命为硬质合金的10~100倍摩擦系数低加工变形小，可减少切削力，最高可达0.002~0.008μm，可进行超薄切削和超精加工。
PCD金刚石刀具的缺点在于热稳定性较差，切削温度超过700°C~800°C时就会完全失去其硬度;此外不适合切削黑色金属，因为金刚石在高温下容易与铁原子产生化学作用使C元素转化为石墨结构，刀具极易损坏。
上介绍，结合生产线加工的产品均用铸铝且加工时连续不断的的特点，刀具需要有较好的切削性能，保证连续生产不产生断刀而影响加工。故在粗加工，粗精加工，精加工时采用不同材料的刀具来进行加工。
粗加工和粗精加工时大部分采用硬质合金刀具，主要看中其切削强度好，可切削耐磨性及耐用性较高的特点。根据精加工尺寸余量小，精度高且粗糙度要求高的特点，选用PCD金刚石刀具进行加工以保证精加工所要求的精度及粗糙度。
5.特殊刀具样式选择
在生产线加工零件时，通常会遇到各式各样不同形状样式的加工面，在一些要求特殊或形状特殊的情况下需要用到组合刀具或者特殊刀具，根据要求的不同选择不同的刀具进行加工。
按图8所示，孔和孔在精加工时设计一把组合刀具同时加工;孔和孔在精加工时设计一把组合刀具同时加工。好处是一次加工零件可以使零件尺寸，粗糙度及形位公差更加稳定，刀具材料选用PCD金刚石涂层刀具使得刀具有较高强度不易磨损。
按图9所示，对于细长孔的加工，选择一种深冷钻即钻头中间可以喷出冷却液的钻头，材料采用硬质合金保证连续加工时孔的精度，排屑和保证孔的直线度，由于硬度较高在加工铸铝时钻头不易断裂。
6.刀具寿命评估
根据实际情况，现在生产线加工中每10件~15件零件测量实际尺寸，按80-20原则，当尺寸在公差范围内但超过标准差80%外时连续测量3件，当3件中有一件依然超过该标准时选择更换刀具;当尺寸以及超过名义公差时立刻更换刀具并检查之前加工的零件是否在合格尺寸范围内。
例：如加工一处Φ23+0.033的孔时，公差为0.033，当加工零件的公差超过了0.033X0.8=0.0264时即尺寸在Φ23+0.0264的范围内时认为刀具可以继续使用，当尺寸在Φ23.0.264~Φ23.033时持续更进，若后续三件中出现一件还在此范围内选择更换刀具消除隐患，若零件尺寸已经超过Φ23.033时则立即更换刀具并测量之前加工零件是否合格。
7.结论
根据以上分析，介绍了生产线的基本形成，生产线刀架的转换，生产线刀具的选择及寿命评估方式。该文的刀具选择不仅可以用于生产线的加工，在单件加工较多零件时也可作为参考。柔性生产线已经经过了实际验证，用现行刀具已经加工了上百件复杂壳体均已顺利交付。
参考文献
《壳体智能柔性生产线应用研究》。 刘安用
《LGMazak设计说明书》。 YAMAZAKI MAZAK CORPORATION
《OPERATING MANUAL 操作说明书》。 YAMAZAKI MAZAK CORPORATION
作者：徐旻熹
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