四軸零件定向加工工藝

麥偉錦， 石亞平

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 佛山 528137)

0 引言

傳統(tǒng)加工是人類對長期生活習(xí)慣、生產(chǎn)實(shí)踐積累下來的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，具有一定的隨意性，和操作人員的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，且不適用于批量生產(chǎn)的作業(yè)方式，難以規(guī)模化、機(jī)械化、自動(dòng)化。而數(shù)控加工是伴隨數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生而產(chǎn)生，其工藝源自于傳統(tǒng)工藝，但有自身的優(yōu)越性，具備精度高且質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)；但不適用于加工裝夾困難的、需多次重復(fù)裝夾且精度要求高的、需找正定位來保證加工精度的零件，且不適合大批量生產(chǎn)[1]。

因此，四軸加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。四軸加工是新型加工方法，屬于多軸加工范疇，是在三軸加工的基礎(chǔ)上，多增加一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的A軸或B軸。產(chǎn)品只需一次裝夾后，即可通過旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)零件多面定向加工、繞軸旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)

加工，減少了工件裝夾次數(shù)，提高零件的整體加工精度，縮短零件裝夾與找正耗時(shí)，大大提高了加工效率。

本文以浪輪主體零件作為切入點(diǎn)，通過對零件的加工工藝制定及修改、四軸加工夾具的設(shè)計(jì)及使用進(jìn)行分析，探討如何解決三軸機(jī)床加工需多次裝夾時(shí)，出現(xiàn)誤差累計(jì)導(dǎo)致零件超差的方法，并完成零件的小批量量產(chǎn)。

圖1 浪輪主體3D模型

表1 浪輪主體部分高精度特征要求分析表

1 圖樣分析

浪輪主體是浪輪機(jī)的重要組成部分，是一種海洋波能發(fā)電裝置上的一個(gè)精密連接部件。其零件結(jié)構(gòu)3D實(shí)體模型如圖1所示。已知零件材料為日本S55C，其化學(xué)成分含量相當(dāng)于中國優(yōu)質(zhì)碳素鋼55鋼。該材料未熱處理硬度不大于255 HB，易切削加工，一般加工后要進(jìn)行熱處理，以提高零件表面硬度。其部分高精度特征技術(shù)要求如表1所示。

2 加工工藝分析及編排

2.1 舊加工工藝

舊加工工藝主要是圍繞著數(shù)控車床、數(shù)控銑床進(jìn)行加工，具體加工工藝、步驟如下：

1）使用三軸數(shù)控銑床加工、虎鉗裝夾、分中找正。對零件底座底面進(jìn)行精加工，作為零件加工時(shí)的基準(zhǔn)，并對零件底座四周、底座上的油槽進(jìn)行粗、精加工，底座中心裝配孔粗加工及精鏜。鉆孔及螺紋底孔，預(yù)攻螺紋2~3 mm。

2）使用三軸數(shù)控銑床加工、虎鉗裝夾、分中找正。零件180°翻轉(zhuǎn)后，對零件正面上圓錐面特征進(jìn)行粗加工，正面上的Y型槽、沉孔進(jìn)行粗、精加工，鉆孔及螺紋底孔，預(yù)攻螺紋2~3 mm。

3）使用三軸數(shù)控銑床加工、虎鉗裝夾、分中找正。進(jìn)行4次裝夾，分別對零件底座四周面上的油孔進(jìn)行加工。

4）使用數(shù)控車床加工、夾具1裝夾及找正。對零件凸臺(tái)上圓錐面、底座上的圓弧角特征進(jìn)行精車加工。

5）使用三軸數(shù)控銑床加工、夾具2裝夾及找正。選擇零件圓錐面上均布在360°的3個(gè)特征中的特征1，對特征1進(jìn)行粗、精加工，特征上的孔先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行粗、精鏜，鉆孔及螺紋底孔，預(yù)攻螺紋2~3 mm。

6）使用三軸數(shù)控銑床加工、夾具3裝夾及找正。選擇零件圓錐面上均布在360°的3個(gè)特征中的特征2，對特征2進(jìn)行粗、精加工，特征上的孔先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行粗、精鏜，鉆孔及螺紋底孔，預(yù)攻螺紋2~3 mm。

7）使用三軸數(shù)控銑床加工、夾具4裝夾及找正。選擇零件圓錐面上均布在360°的3個(gè)特征中的特征3，對特征3進(jìn)行粗、精加工，特征上的孔先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行粗、精鏜，鉆孔及螺紋底孔，預(yù)攻螺紋2~3 mm[2-3]。

2.2 舊工藝存在問題及改進(jìn)

浪輪主體圓錐面上孔特征的加工精度高，有垂直度、同軸度、平行度、斜度、圓度等要求，特別是同軸度與圓度公差很小，因此，孔的加工難度大。而且在其余特征也有相對應(yīng)的形位公差要求。

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，使用上述工藝進(jìn)行加工，需要制作多達(dá)4個(gè)夾具，工序3對底座上油孔加工，進(jìn)行了4次裝夾，工序5~工序7所加工的內(nèi)容相同。基于誤差疊加，利用該工藝進(jìn)行加工，因?yàn)橹貜?fù)裝夾次數(shù)、使用夾具數(shù)量過多，容易導(dǎo)致零件超差[2]。針對該工藝生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的問題，提出采用數(shù)控車床、數(shù)控銑床、四軸加工中心組合加工方式，使用四軸加工代替完成上述工序3與工序5~工序7的加工，加工時(shí)只需把零件裝夾在夾具上即可一次性完成加工[3-4]。

2.3 新工藝編排

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn)，采用如下工藝：對毛坯底座進(jìn)行粗基準(zhǔn)加工（數(shù)控銑床）→翻轉(zhuǎn)對半成品正面特征進(jìn)行加工（數(shù)控銑床）→對半成品圓錐面及底座圓弧角精車加工（數(shù)控車床）→對半成品圓錐面上特征進(jìn)行加工（四軸加工中心）→對半成品底座上特征進(jìn)行加工攻（數(shù)控銑床）→手工攻螺紋[5-6]。具體工序明細(xì)表2所示。

3 新工藝實(shí)施方案

四軸加工是整個(gè)零件加工的關(guān)鍵工序。零件如直接裝夾在四軸分度頭上，每次加工前都必須對零件進(jìn)行分中找正，且零件缺失找正基準(zhǔn)；在加工過程中，零件上表面與四軸分度頭直接相接，在加工圓錐面上的特征時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)一次裝夾成型，且要考慮刀具干涉、刀柄避空等可能會(huì)出現(xiàn)的問題；同時(shí)該零件圓柱面上的各特征形位公差精度要求高，多次裝夾定位會(huì)產(chǎn)生誤差疊加。

表2 浪輪主體加工工序

針對該零件在加工前、加工過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)出如圖6所示定位夾具[7-8]。

其中，大圓柱特征為過渡特征，用來防止零件加工時(shí)出現(xiàn)刀具與四軸分度頭干涉的情況；小圓柱為夾具與四軸分度頭裝配特征；大圓柱上均布的3根圓柱為定位銷，3個(gè)螺紋孔為零件緊固用，3通孔為夾具固定用。

圖2 工序1

圖3 工序2和工序3

圖4 工序4

圖5 工序5和工序6

3.1 夾具原理

圖6 四軸定位夾具簡圖

選擇浪輪主體上頂面和頂面上3個(gè)不在同一區(qū)域的精鏜孔作為定位基準(zhǔn)，零件與夾具使用三銷一面的方式進(jìn)行定位，螺栓鎖緊形式進(jìn)行裝夾；夾具利用背部的圓柱，與四軸分度頭上中心孔進(jìn)行配合，利用螺栓、T型塊定位鎖緊。

3.2 夾具的制作要求

夾具在制造時(shí)，必須保證整個(gè)定位夾具的同軸度及定位精度。1)三定位銷分布所在圓的回轉(zhuǎn)軸與裝配圓柱回轉(zhuǎn)軸同軸度偏差保證不大于0.02 mm；2)四軸定位基準(zhǔn)面與夾具基準(zhǔn)面垂直度不大于0.02 mm；3)三定位銷與浪輪主體上的三定位孔裝配公差保證不大于0.02 mm；4)定位夾具大圓柱面上的特征在夾具制作時(shí)無需加工，該特征在第一個(gè)零件加工時(shí)可與零件同時(shí)成型。

3.3 夾具的使用

圖7為裝夾三維爆炸示意圖。安裝時(shí)，定位夾具3通過臺(tái)階圓柱與四軸分度頭1裝配，螺栓4與T型塊2進(jìn)行定位，并鎖緊于四軸分度頭上。利用杠桿百分表，對夾具上的四軸定位基準(zhǔn)面進(jìn)行水平找正，從而確定四軸加工零點(diǎn)。

圖7 裝夾三維爆炸示意圖

生產(chǎn)加工時(shí)，在保證浪輪底座一側(cè)平面、Y型槽一開口、定位夾具四軸基準(zhǔn)面在同一側(cè)的前提下（如圖7所示位置），把浪輪主體5安裝在定位夾具3上，并使用螺栓6把工件固定于定位夾具3上，從而把工件固定于四軸分度頭1上，完成零件半成品的安裝。

3.4 夾具特點(diǎn)及優(yōu)勢

采用基準(zhǔn)重合原則，工件、定位夾具、四軸分度頭三者的定位誤差小、裝夾過程操作簡單，可實(shí)現(xiàn)快速裝夾，夾緊可靠；在一次裝夾加工中，實(shí)現(xiàn)了多工序加工，避免了零件因重復(fù)定位所引起的誤差疊加；夾具使工件與四軸分度頭產(chǎn)生避空位，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有特征加工，同時(shí)規(guī)避了刀具干涉的情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論

隨著工業(yè)的發(fā)展，零件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對零件精度要求越來越高，使用常見的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行車削、銑削加工已難以滿足需求。四軸加工是結(jié)合了當(dāng)前常見的數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車削、銑削的復(fù)合加工，把復(fù)雜的加工工序、繁瑣的夾具制作及安裝調(diào)試簡單化，只需一次裝夾即可完成回轉(zhuǎn)體、非圓回轉(zhuǎn)體、非回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的多面多工序定向、聯(lián)動(dòng)加工。在工裝、加工效果、加工效率等方面有顯著的提高，適合當(dāng)今企業(yè)用于需多面加工、定位難、高精度零件加工。