鋁合金薄壁零件數(shù)控加工夾具及相關(guān)問(wèn)題研究

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

與傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝相比，數(shù)控加工優(yōu)勢(shì)更加突出，其不僅具有自動(dòng)化程度高、加工精度高以及勞動(dòng)強(qiáng)度低等方面的加工優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其還可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面零件的高質(zhì)量加工，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為突出。在鋁合金薄壁零件加工中應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)，會(huì)達(dá)到理想化零部件加工模式。為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化鋁合金薄壁零件數(shù)控加工效果，對(duì)鋁合金薄壁零件數(shù)控加工夾具相關(guān)內(nèi)容展開(kāi)研究顯得極為必要。在正式展開(kāi)研究之前，首先應(yīng)對(duì)鋁合金材料性能與工藝特點(diǎn)展開(kāi)分析。

1 鋁合金材料工藝特點(diǎn)與性能

鋁合金材料在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，屬于有色金屬結(jié)構(gòu)材料范疇。材料性能、工藝特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①柔韌性。鋁合金材料有著較為明顯的粘附性強(qiáng)、塑性好以及韌性理想等方面的優(yōu)勢(shì)，在切削時(shí)不容易發(fā)生分離問(wèn)題，但卻容易粘附在刀刃上，進(jìn)而生成刀瘤；②鋼性。通常薄壁件都存在著鋼性較差的問(wèn)題，在加工時(shí)很容易便會(huì)發(fā)生變形狀況；③膨脹性。由于鋁的線膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼的線膨脹系數(shù)，所以在進(jìn)行切削時(shí)很容易會(huì)產(chǎn)生熱變形過(guò)大的狀況；④硬度。鋁合金材料一般都存在著硬度偏低的問(wèn)題，在進(jìn)行加工時(shí)很容易會(huì)出現(xiàn)劃傷以及表面粗糙度不達(dá)標(biāo)等狀況，但因?yàn)殇X合金比強(qiáng)度相對(duì)較高，所以其在航空產(chǎn)品中有著廣泛運(yùn)用。

2 數(shù)控加工夾具

2.1 概況

夾具是數(shù)控機(jī)床用于引導(dǎo)刀具、裝夾工件的裝置，是為某工件的某道工序所設(shè)計(jì)的夾具，主要由定位元件、夾緊裝置、引導(dǎo)元件、對(duì)刀元件、連接元件以及夾具體和其他元件、裝置所組成[1]。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、專門(mén)化程度，夾具可以分為可調(diào)夾具、通用夾具、專用夾具以及組合夾具等幾種，具有操作便捷、迅速、省力等方面的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楦呔?、高效率生產(chǎn)提供可靠保障，但其同時(shí)也存在著制造成本高以及加工周期長(zhǎng)等方面的特征[2]。同時(shí)，由于在產(chǎn)品發(fā)生變更時(shí)，夾具使用會(huì)受到直接限制，所以其多用于大批量產(chǎn)品生產(chǎn)之中。

2.2 應(yīng)用作用

在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，夾具具有以下幾項(xiàng)作用：①保證工件加工精度。在夾具作用下，加工件不會(huì)因?yàn)榧庸と藛T技術(shù)水平而受到影響，一批次工件加工精度差異可以被控制在最??；②壓縮輔助工時(shí)，保證生產(chǎn)效率。運(yùn)用夾具并不需要對(duì)工件實(shí)施劃線找正處理，能夠切實(shí)減少輔助工時(shí)，且在裝夾之后，工件剛性也會(huì)得到顯著提升，切削用量會(huì)得到有效提高；③機(jī)床使用范圍會(huì)得到切實(shí)拓展，會(huì)按照加工機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)在機(jī)床上附以不同類型夾具，機(jī)床會(huì)突破原有工藝范圍，得到更加廣泛的運(yùn)用；④降低加工成本。因?yàn)樵谑褂脢A具后，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量會(huì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，廢品生產(chǎn)率會(huì)出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，所以可安排較低等級(jí)工人對(duì)機(jī)床進(jìn)行操作，可達(dá)到有效降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)；⑤減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度。夾具操作較為方便，可通過(guò)對(duì)液壓以及氣動(dòng)等夾緊裝置的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)切實(shí)降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的效果。

3 鋁合金薄壁零件數(shù)控加工夾具與相關(guān)問(wèn)題

3.1 工程實(shí)例

為滿足公司生產(chǎn)需要，某公司加大了對(duì)批量接線盒薄壁零件的研究力度，而本文在此也將以接線盒薄壁零件為例，按照加工時(shí)裝夾定位要求，展開(kāi)專用夾具設(shè)計(jì)，并會(huì)按照使用實(shí)際情況，對(duì)夾具設(shè)計(jì)展開(kāi)優(yōu)化與改良。運(yùn)用此夾具裝夾工件實(shí)施產(chǎn)品加工過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)有效提升工件定位時(shí)間與工件裝夾效率的目標(biāo)，能夠達(dá)到良好的加工精度與加工效率，工件批量生產(chǎn)價(jià)值會(huì)得到顯著提高。

3.2 加工方案

本次生產(chǎn)接線盒產(chǎn)品是電腦重要配件，屬于鋁合金材料。產(chǎn)品預(yù)計(jì)月產(chǎn)超過(guò)20萬(wàn)件，屬于大批量生產(chǎn)產(chǎn)品，單個(gè)產(chǎn)品壁厚在0.5mm，是典型的精密五金制品。按照產(chǎn)品生產(chǎn)目標(biāo)，在實(shí)施產(chǎn)品加工時(shí)需要滿足以下幾項(xiàng)技術(shù)要求：①零件底面不可進(jìn)行工具修飾，尤其是砂布、銼刀修飾；②表面不能出現(xiàn)明顯的氣孔、劃痕等損傷；③沒(méi)有注明形狀的公差需要符合IT8要求；④產(chǎn)品底面要和其他物體相粘結(jié)。

加工思考：由于本次加工產(chǎn)品為薄壁鋁合金零件，如果采用切削加工手段進(jìn)行材料處理，會(huì)造成較大的材料浪費(fèi)，所以并不建議使用此種處理方式。通過(guò)對(duì)零件圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品外形粗糙度底面可通過(guò)切削手段對(duì)底面粗糙度進(jìn)行保證，而其他面需要運(yùn)用不去除材料手段獲取，除底面外，其他面均較為光潔。因此在進(jìn)行零件加工時(shí)，需要運(yùn)用兩種手段對(duì)零件實(shí)施加工。在具體加工時(shí)，需要先運(yùn)用壓鑄方式對(duì)產(chǎn)品展開(kāi)處理，將其鑄造成壁厚為0.5mm的半成品，同時(shí)需要運(yùn)用數(shù)控銑手段對(duì)地面展開(kāi)銑削加工處理，在尺寸合格后便可停止施工。

3.3 加工難點(diǎn)

在對(duì)加工方案確定之后，加工部門(mén)對(duì)加工特點(diǎn)展開(kāi)了詳細(xì)分析，并與客戶一起就具體加工適宜以及加工標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)了分析。本次產(chǎn)品外形鑄造所用磨具是由客戶負(fù)責(zé)提供的，筆者所在公司主要負(fù)責(zé)地面銑削加工，其他部分施工由鑄造廠代為進(jìn)行。雖然本次加工較為單一，但因?yàn)楫a(chǎn)品薄壁特征影響，整體施工仍然存在著較大難度，像在進(jìn)行壓鑄時(shí)容易出現(xiàn)飛邊問(wèn)題，或者零件周邊表面條件相對(duì)有限，會(huì)直接增加后期加工定位難度等問(wèn)題，都會(huì)使機(jī)床加工定位裝夾變得異常困難。

按照零件特點(diǎn)與形狀，在進(jìn)行此種零件加工時(shí)，一方面要保證定位裝夾準(zhǔn)確性以及效率，要通過(guò)對(duì)刀具資源的充分運(yùn)用，有效控制刀具資源消耗，確保工件振動(dòng)對(duì)刀具、工件的影響可以被控制到最低；另一方面需要保證夾具簡(jiǎn)單性以及便捷性，要在按照生產(chǎn)要求對(duì)其展開(kāi)專項(xiàng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證夾具通用型與使用長(zhǎng)久性，以防出現(xiàn)反復(fù)更換的狀況[4]。本次所用夾具定位裝置共設(shè)置10個(gè)工位，在進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)運(yùn)用相互配合手段對(duì)工件毛坯件加工位置進(jìn)行確定。

3.4 夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）夾具應(yīng)用問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間生產(chǎn)實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，此夾具在應(yīng)用時(shí)還存在著一定問(wèn)題：第一，裝夾時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，人員需要消耗大量實(shí)踐進(jìn)行按壓與安裝，且每人4套夾具也很難滿足具體加工需要；第二，定位存在問(wèn)題，工件在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)底部壁厚不達(dá)標(biāo)，甚至是穿底問(wèn)題，會(huì)對(duì)工件加工精度形成影響；第三，加工效率不理想，底座體積較為笨重，人員需要花費(fèi)大量精力實(shí)施夾具取放，會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率形成影響；第四，由于夾具、工件屬于過(guò)渡配合模式，需要一定力度才可完成取放，在進(jìn)行加工過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)榍邢髁蚱渌芰τ绊?，而使個(gè)別工件出現(xiàn)與夾具連接過(guò)于緊密的狀況，會(huì)對(duì)工件拿取造成阻礙[5]。

（2）夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)夾具使用所存在的問(wèn)題，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化建議：①為避免出現(xiàn)裝夾定位不準(zhǔn)以及耗時(shí)問(wèn)題，公司決定展開(kāi)氣動(dòng)輔助加緊裝置設(shè)計(jì)，以對(duì)裝夾操作形成輔助，確保所有工件定位準(zhǔn)確程度；②為改變過(guò)于厚重的底座，決定將底座制作成分成結(jié)構(gòu)，并會(huì)按照獨(dú)立棱柱形式對(duì)機(jī)床夾具、工件夾具連接部分展開(kāi)設(shè)計(jì)，整套夾具由底座、上層定位板以及下層定位板所組成；③因?yàn)榭紤]到機(jī)床裝夾需要依靠人工完成相應(yīng)操作任務(wù)，所以需要將人工操作方面因素考慮到其中，不可過(guò)度追求一次裝夾工件生產(chǎn)量，需要做好人員工作量承受能力分析，保證任務(wù)量安排合理性，防止出現(xiàn)人員工作負(fù)擔(dān)過(guò)重的問(wèn)題，應(yīng)做好底座結(jié)構(gòu)以及夾具尺寸調(diào)整，將每層產(chǎn)量控制為8個(gè)，實(shí)現(xiàn)兩層同時(shí)加工模式，確保工件加工每次產(chǎn)量可以達(dá)到16個(gè)；④因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)個(gè)別工件和定位端進(jìn)行連接的狀況，會(huì)直接增加徒手取件難度，所以需要做好工件加緊力度、體積大小調(diào)整，應(yīng)在加工定位板過(guò)程中需要高度、寬度尺寸把控，確保其各項(xiàng)尺寸能夠小于工件內(nèi)腔尺寸。同時(shí)需要在工件定位端內(nèi)側(cè)設(shè)置小孔，以在工件套在工位時(shí)，對(duì)其施加外推力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)取件難問(wèn)題的有效處理，一般建議將小孔設(shè)置為φ8mm尺寸[6]。

3.5 數(shù)控加工程序編制

事實(shí)上，數(shù)控銑床加工復(fù)雜程度相對(duì)較低，不僅可通過(guò)對(duì)相應(yīng)軟件的運(yùn)用完成編制任務(wù)，也可通過(guò)手動(dòng)編程手段，在車間現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)調(diào)試。由于工件一般會(huì)被固定在平口鉗位置，需對(duì)兩側(cè)實(shí)施全面加工，切削量相對(duì)較小，所以需要保證走刀加工一次性以及加工質(zhì)量。按照加工要求，本次加工選擇φ12mm的平底合金銑刀，并將進(jìn)給速度控制在2500mm/min左右[7]。在進(jìn)行銑削時(shí)，刀具只需要對(duì)前后側(cè)面工件底部進(jìn)行處理即可。在對(duì)刀具走刀路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要按照輪廓對(duì)刀具外形走刀展開(kāi)分析，進(jìn)而達(dá)到對(duì)工件地面實(shí)施銑削處理的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹專用夾具、輔助裝置投入成本相對(duì)較低，且存在著裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。每臺(tái)機(jī)床都配備1套裝夾輔助裝置、6套專用夾具，在開(kāi)機(jī)之前，需要做好夾具安裝。在進(jìn)行加工時(shí)，夾具可輪換進(jìn)行使用，并不需要投入大量實(shí)踐與精力，數(shù)控設(shè)備使用量會(huì)得到有效控制，企業(yè)效益也會(huì)得到大幅度提升。由于加工對(duì)象以及加工條件等方面差異的影響，本文所介紹夾具設(shè)計(jì)、使用方式未必適合所有機(jī)床，所以單位需要按照具體情況有針對(duì)性展開(kāi)夾具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工程序編制，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)化加工生產(chǎn)模式。