一種薄板類零件加工方法的優(yōu)化

陳磊+夏凱+劉蘭波

摘 要：本文論述分析了航天某型號鋁合金蓋板類零件的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)工藝性，設(shè)計裝夾工裝，制定了合適的數(shù)控加工工藝。重點解決了薄壁蓋板原有加工的工藝問題和工件加工定位不穩(wěn)定的現(xiàn)象，避免了因此類工藝缺陷引起的加工質(zhì)量問題。此外根據(jù)優(yōu)化的加工工藝選用MasterCAM軟件進行了自動編程，實現(xiàn)了該零件的高精度加工。

關(guān)鍵詞：薄壁蓋板；裝夾工裝；數(shù)控工藝

中圖分類號：TH162 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0072-02

1 零件的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)工藝性分析

1.1 零件的技術(shù)要求

圖1為成型后的薄板零件圖，該零件材料為硬鋁2A12-T4，屬于典型的薄壁盤類結(jié)構(gòu)，該零件對制成品的平面度、表面粗糙度和尺寸精度有一定要求，零件表面的粗糙度要求為Ra1.6，正反兩面平面度均為0.1mm，孔之間的位置精度為0.1mm。最大外形為126mm×2mm，加工成型后最小壁厚只有0.5mm，易變形。

1.2 原有加工方案及產(chǎn)生的問題

1.2.1 原工藝方案

對于該零件的加工，其原有加工工藝為五個工步，涉及到普通銑床、鉗工、數(shù)控銑床、線切割4個工種。（工藝路線表）如下：

銑床：銑外形為135mm×135mm

鉗工：點孔

鉗工：鉆孔、攻絲

銑床：銑4扇形凹面

線切割：線切割加工外形至尺寸

1.2.2 工藝問題

上述工藝方案，零件在多道工序中流轉(zhuǎn)，銑床二次加工，多次的裝夾和定位找正，不僅浪費了大量的時間，而且零件的尺寸精度以及加工面粗糙度都較差，無法滿足大批量產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量要求和均衡穩(wěn)定的生產(chǎn)，同時該工藝過程涉及多道工序和多臺加工機床，因而加工成本較高，效率不高。

1.3 原因查找與工藝分析

（1）該零件屬于批量生產(chǎn)的零件，因此加工成本和生產(chǎn)效率必須要考慮。

（2）零件的對稱度要求為0.1mm，這樣的要求不算高，但是實際加工出來的零件往往超出范圍。通過仔細(xì)分析后，得出該超差的主要原因有兩個方面：一方面是加工工序過多，累計誤差過大。另一方面是線切割的加工基準(zhǔn)和前道工序基準(zhǔn)不統(tǒng)一。因此按照上述原工藝方案加工的零件無法完全保證零件的精度要求。

2 數(shù)控工藝與編程技術(shù)解決方案

2.1 零件加工的總體解決方案確定

針對上述問題，我們再次認(rèn)真分析了該零件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸和精度要求后，根據(jù)我單位的現(xiàn)有加工能力對該產(chǎn)品的加工工藝過程進行了大膽的優(yōu)化。

首先通過研究分析重新確定了零件的毛胚尺寸，設(shè)計了一副工裝夾具，使零件在加工過程中鑲嵌在工裝中，不再受到相對的夾持力作用，減小了因裝夾產(chǎn)生的變形量。 同時只使用數(shù)控加工中心進行加工，一次性把零件加工成型，這樣就取消了鉗工和線切割兩個工序，達到了一次裝夾一次成型的目的。不僅大大提高加工效率，還避免了累積誤差造成的質(zhì)量和精度差等問題。優(yōu)化后的工藝過程大致如下：

①外形 130mm×130mm×2mm；②裝入夾具，點孔、鉆孔、攻絲；③銑4扇形凹面至尺寸；④銑外形輪廓至圖紙要求；⑤修棱邊去毛刺，送檢、入庫。

上述方案的總體思路是：該零件屬于比較典型的薄壁盤類零件，為了避免重復(fù)以前問題，要盡量做到工序集中，而使用數(shù)控加工中心就是這一體現(xiàn)。

2.2 裝夾方案的解決

2.2.1 裝夾方式

數(shù)控機床上零件的安裝方法與普通機床一樣，要合理選擇定位基準(zhǔn)和夾緊方案，要求有以下兩點：（1）力求設(shè)計、工藝與編程計算的基準(zhǔn)統(tǒng)一，這樣有利于編程時數(shù)值計算的簡便性和精確性。（2）盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位裝夾后，加工出全部待加工表面。

2.2.2 夾具的選擇

對夾具選擇的基本要求：（1）為保持零件安裝方位與機床坐標(biāo)系及程編坐標(biāo)系方向的一致性，夾具應(yīng)能保證在機床上實現(xiàn)定向安裝，還要求能協(xié)調(diào)零件定位面與機床之間保持一定的坐標(biāo)尺寸聯(lián)系。（2）為保持工件在本工序中所有加工要素一次完成，夾具要做得盡可能開敞，因此夾緊機構(gòu)元件與加工面之間應(yīng)保持一定的安全距離，同時要使夾緊機構(gòu)的元件盡可能低，以防止夾具與銑床主軸套筒或刀套、刃具在加工過程中發(fā)生碰撞。（3）夾具的剛性與穩(wěn)定性要好。盡量不采用在加工過程中更換夾緊點的設(shè)計，要特別注意不能破壞夾具或工件定位精度。

綜合以上基本要求，設(shè)計了如下的裝夾工裝（如圖2所示），將其安裝在工作臺的臺虎鉗內(nèi)，通過夾具的四塊壓板夾緊工件。

3 加工型腔的數(shù)控加工程序總方案

該零件的數(shù)控加工程序是基于軟件MasterCAM生成的。該軟件無須畫出實體，只需按1：1正確畫出要加工的輪廓線，選擇適當(dāng)?shù)牡毒呗窂胶蛥?shù)即可生成用于加工的程序。

3.1 刀具及切削參數(shù)選擇

刀具的選擇根據(jù)零件材料，選擇整體硬質(zhì)合金立銑刀，雙刃，大螺旋角，刃前空間大，耐磨，成本低。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)該刀具非常適合鋁材的高速加工。對具體的參數(shù)選擇，主軸轉(zhuǎn)速：5000rpm，切削速度：300mm/min，并按需要在實際操作中加以調(diào)整，確保加工質(zhì)量和精度要求。

該零件的加工主要分2步進行，分別為毛坯加工和外形及型腔加工，包括：點孔、鉆孔、攻絲、銑4扇形凹面至尺寸，銑外形等加工步驟。該零件的加工，數(shù)控程序的中心設(shè)在工裝左側(cè)頂點，安全高度在零件表面上方20mm處。

3.2 零件加工過程

3.2.1 毛坯加工

該加工工序主要是去除大余量，并為后工序精加工打好基礎(chǔ)。所以結(jié)合本單位設(shè)備的實際情況，選擇成本低的普通機床加工。通過該工序加工的坯料能夠裝入對應(yīng)的工裝。

3.2.2 精加工

把零件鑲嵌在工裝內(nèi)，由于零件屬于薄壁零件，容易變形，所以在夾緊工件時壓板應(yīng)均勻分布，并且夾緊力大小應(yīng)適當(dāng)，以防破壞工件的定位或使工件產(chǎn)生變形。實際操作時采用力矩扳手緊固壓板螺釘，確保工件受力均勻一致。然后根據(jù)工藝順序一次性完成零件的全部加工。需要注意的是：（1）下刀方式：要采用螺旋下刀，可以改善進刀時的切削狀態(tài)，保持較高的進刀速度和較低的切削負(fù)荷。盡量減少劇烈變化，以免引起零件振動。要注意的是加工底面時，不能一次加工到尺寸，以免銑到側(cè)面時吃刀量增大，造成彈性變形。（2）零件的外形是最后完成的，而且不能像線切割那樣直接把零件從板材上切削下來，要預(yù)留下0.05 -0.07mm的余量，使零件與外框還有連接性，這樣就避免了產(chǎn)品在加工完成時，刀具與工件間產(chǎn)生不可預(yù)期的接觸，影響零件加工質(zhì)量的震動，見圖3。

4 零件的自動編程

本加工零件的表面工步較多，包括點孔、鉆孔、沉孔、攻絲、銑加工，加工精度要求高，且各加工要素間有很多的相互位置精度要求，采用零件的自動編程是十分必要的。

首先，進行零件的二維造型，在零件造型時要注意：一是對有公差標(biāo)注的尺寸需按尺寸中的值進行繪制；二是根據(jù)數(shù)控工藝的編制確定正確的原點位置，即加工的編程原點，為后續(xù)編程作準(zhǔn)備。其次進行二維加工零件的刀具路徑確定，在零件有刀具路徑設(shè)定完成后，可對零件進行模擬加工，驗證刀具路徑的正確性。最后，再根據(jù)加工中心的數(shù)控系統(tǒng)選擇相應(yīng)的后處理軟件，生成零件加工程序，通過分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)DNC傳輸至相應(yīng)的機床進行數(shù)控加工。

5 結(jié)語

按上述優(yōu)化后加工工藝方法，結(jié)合多次上機加工實踐，已確認(rèn)用優(yōu)化后的工藝加工該種薄壁盤類零件，完全能夠達到圖紙所要求的尺寸精度和形位公差，而且在批量加工時質(zhì)量穩(wěn)定性較好，尺寸精度和形位公差的一致性也非常好，完全滿足型號產(chǎn)品的需要，而且大大提高了生產(chǎn)效率。