一種框類零件的組合加工工藝方法及程序優(yōu)化

李 騰，楊雄飛，丁傳東

（1.齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161000；2.航空工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段之一，其特點是能實現(xiàn)復(fù)雜零件的加工、高精度加工、在線檢測等功能，而實現(xiàn)這一系列功能的工具就是數(shù)控機床。

數(shù)控機床具有：加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定；能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運動，柔性好；加工生產(chǎn)效率高；減輕勞動強度、改善勞動條件；有利于生產(chǎn)管理等特點。

影響數(shù)控機床加工有兩個重要因素：一是零件的工藝方法，另外一個是數(shù)控加工程序，兩項因素直接影響零件的加工質(zhì)量和效率、工人勞動強度。如何改善零件的加工質(zhì)量，提高零件生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度，滿足飛機的交付進度，成了首要解決的問題。

文章以某型機中某結(jié)構(gòu)框為例解決零件組合加工技術(shù)及數(shù)控程序優(yōu)化工作的一些問題。

1 組合加工工藝方案的制定

1.1 原始的零件的加工方案

零件原始加工狀態(tài)為零件單件加工，采用單件加工的真空夾具進行加工，零件在粗加工去量、精加工零件外形時經(jīng)常需要倒換壓板才能進行加工，并且真空吸附區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)壁厚不均勻的狀況，如不謹慎測量，經(jīng)常容易出現(xiàn)超差品。

1.2 采用組合加工的零件加工方案

零件采用兩件組合加工，減少了材料的用量。擴大真空吸附區(qū)域，使零件壁厚均勻，減少工人頻繁測量的工作量，無需頻繁倒換壓板，外形可在第一坐標(biāo)系的通用工裝實現(xiàn)吸附狀態(tài)?，F(xiàn)利用工裝中間三個螺栓孔進行壓緊，進行加工，零件第二坐標(biāo)系加工時外形壓板僅起到輔助作用，當(dāng)零件進行切斷時壓板拆除，無需重新進行安裝。由于零件加工用機床為FIDIA機床，其主軸Y向形成僅有1100mm，介于該機床的局限性，原始工裝保留作為零件鉆孔使用，而新工裝作為零件的加工工裝使用。

圖2 組合加工方案第二坐標(biāo)系加工狀態(tài)

1.3 兩種加工方案的區(qū)別

（1）吸附作用面面積。單件加工時真空吸附區(qū)域小，而兩件同時加工增加了真空吸附區(qū)域，增加大氣壓力力值，如果零件在理論狀態(tài)下，零件安放在真空夾具上時，即使無真空吸附時也應(yīng)完全貼合，但實際情況往往不是如此。金屬零件在毛坯有余量去除時，本身破壞了金屬材料內(nèi)部的纖維，產(chǎn)生的應(yīng)力變化造成零件的變形。零件已經(jīng)發(fā)生變形時需要完全與工裝貼合，就需外力作用使其達到該狀態(tài)。

其中圖3所示為零件兩件加工時的真空吸附狀態(tài)，圖4為零件單件狀態(tài)下的真空吸附狀態(tài)。

圖3 組合加工方案中真空吸附狀態(tài)

圖4 單獨加工方案中真空吸附狀態(tài)

（2）加工方案合理性。零件單件加工時，不利于數(shù)控機床的加工，適當(dāng)增大零件的加工區(qū)域往往可以提高機床的加工效率，機床在加工區(qū)域較小時，機床頻繁換向，機床加工速度始終都處于變化過程中，數(shù)控機床加工轉(zhuǎn)角時，有一定的降速過程，走刀速度變慢，而兩件同時加工時，可以形成一個較大的封閉腔，這樣可以使機床走刀速度提升，充分發(fā)揮高速機床的特點。圖5和圖6分別為零件組合加工和單獨加工時的加工狀態(tài)。

圖5 零件組合加工時的零件腔加工時的加工狀態(tài)

圖6 零件單獨加工時的零件腔加工時的加工狀態(tài)

（3）加工過程中裝夾方式。組合加工方案降低了工人的勞動強度，兩件組合加工后零件安放壓板的區(qū)域增加，減少了零件加工過程中調(diào)整零件及倒換壓板的工作，不需頻繁調(diào)整，降低勞動強度。

1.4 零件數(shù)控程序的加工

零件數(shù)控加工程序編制過程中首先考慮零件的裝夾方式，該零件數(shù)控加工過程中由于是兩件組合加工，因此零件裝夾時可利用中間區(qū)域增加螺釘進行壓緊，零件精加工時為防止零件側(cè)壁震動可適當(dāng)增加壓板進行輔助壓緊，同時還可以充分保證零件的加工尺寸要求。當(dāng)零件經(jīng)加工結(jié)束后，可將零件壓板去除，零件切斷時也不需要壓緊，直接切斷可以完成零件的加工。圖7所示為輔助壓緊，圖8為切斷壓緊。

圖7 組合加工方案的輔助壓緊示意圖

圖8 組合加工方案的切斷壓緊示意圖

2 數(shù)控程序的優(yōu)化方案

2.1 粗加工過程中的優(yōu)化

粗加工過程中為使零件充分變形，首先在加工零件過程中應(yīng)考慮刀具對零件變形量的影響，其次經(jīng)過試切過程中觀察零件粗加工結(jié)束后的零件變形量，最終確定零件的粗加工留量尺寸，避免粗加工留量的過大或者過小，粗加工留量過大涉及到零件后續(xù)加工中持續(xù)變形量增大，留量過小會造成零件精加工時部分區(qū)域出現(xiàn)加工缺陷，根據(jù)零件的加工試驗，零件整體留量2mm。零件粗加工時零件正反兩面都進行留量處理，經(jīng)過自然時效或者人工時效的方式進行處理，讓零件充分變形后，對零件后續(xù)進行加工。

2.2 精加工過程的優(yōu)化

零件粗加工結(jié)束后零件經(jīng)過時效處理，已經(jīng)充分變形，經(jīng)過試驗零件變形的方式為U型，需要將零件的底面銑平面，作為零件加工的基準面，加工結(jié)束后進行裝夾，進行整體的精加工。精加工需要注意的幾點問題：

（1）零件加工過程中為避免零件轉(zhuǎn)角R過渡的過程中，由于機床的慣性作用使的R角區(qū)域出現(xiàn)過切，此情況在零件程序進行仿真分析時不會出現(xiàn)，在實際加工過程中會出現(xiàn)，同時在此加工過程中，轉(zhuǎn)角區(qū)域表面光度不好，經(jīng)常需要人工進行打磨處理。為避免此情況的發(fā)生，在程序編制過程中根據(jù)零件轉(zhuǎn)角R的公差，需要編制工藝輔助線，將轉(zhuǎn)角R值加大，一般加大0.1mm便可以避免刀具直接成型R角，同樣的區(qū)域處理的方式很多，但是不建議更改小于轉(zhuǎn)角直徑的刀具進行加工，因為，刀具越小加工過程中的震動越明顯，更不利于零件質(zhì)量的保證。

圖9 工藝輔助線加工的零件軌跡示意圖

（2）對于航空零件的結(jié)構(gòu)來講，零件一般壁厚較薄，加工中零件震動明顯，表面光度不好，并且極容易超差，為了避免此類情況的發(fā)生，采用錯層加工的方式進行零件的加工，可以很好的控制零件加工的震動問題。

這里所使用的是錯層加工的方式，錯層加工主要是通過零件不對稱的切削方式，增加零件壁厚的剛性，減少因震動造成零件加工表面的缺陷（如圖10所示）。

圖10

錯層加工過程中，需要根據(jù)加工對象的高度來進行調(diào)節(jié)錯層的層差深度，若零件高度較小，錯層加工的優(yōu)勢就會降低，不如使用常規(guī)的加工方式，讓加工效率、質(zhì)量均有所保障，根據(jù)長期的加工經(jīng)驗，一般高度小于20mm，壁厚在1.5mm以上不推薦使用此方法，因此零件高度較大且壁厚較薄時為保證零件的加工質(zhì)量，一般選擇為精加工切削深度的50%作為層差，這樣可以增加零件單側(cè)加工的支撐強度，選擇錯層加工減少震動是其中一個優(yōu)勢，另外優(yōu)點在于，零件不對稱加工時，利于切削熱釋放，因為錯層加工屬于不對稱切削，且為立筋兩側(cè)按順序去除余量，與粗加工中的對稱加工效果類似，可以減少因切削熱量引起的零件變形。

如圖11，零件加工的順序為1-2-3-4-5-6-7-8，加工過程中所有未加工的區(qū)域?qū)υ诩庸^(qū)域都起到了一定的支撐作用。在根部的余量保證最終一致，根部的剛性較好，可一次加工完成，不需在進行其它余量的調(diào)節(jié)。此種方式加工的空行程較多，一般建議在高速機床應(yīng)用，對加工效率的損失相對較少。

圖11 錯層加工方案示意圖

但是此處需要注意的是，零件粗加工結(jié)束后直接進行精加工，這樣可以將零件粗加工時形成材料冷作硬化區(qū)域直接高速去除，主要是因為零件粗加工時為提高加工效率一般都采用低速度走刀，提高零件的切削效率，往往此種走刀方式會產(chǎn)生大量的切削熱停留在半成品零件的表面，由于熱的作用造成零件的表面有冷作硬化區(qū)，而高速切削時70%的熱量時由切削帶走，而零件受溫度影響較小，同一區(qū)域粗、精加工先后進行，有利于零件的變形控制。零件錯層加工時不需要建立工藝模型僅需要簡單調(diào)整及可，見圖12。

圖12 錯層加工策略設(shè)置

2.3 零件的加工提效

數(shù)控發(fā)展至今，設(shè)備的不斷更新，對于零件的加工要求有了很大的變化，原有的零件加工方法有很大的參考價值，但是已經(jīng)不能完全適應(yīng)飛機生產(chǎn)的需要，因此提高零件的質(zhì)量及生產(chǎn)效率成為了當(dāng)前重要的研究課題，該零件的原始加工狀態(tài)中主要時應(yīng)用了一些專用刀具進行加工，這樣無形之中增加了零件的成本，優(yōu)化后的零件大部分刀具采用常規(guī)硬質(zhì)合金刀具，其優(yōu)點是鋒利、耐用，避免由于長期加工零件時刀具磨損造成的零件超差或者需要經(jīng)常更換刀具造成的時間損失。并且零件的加工效率及表面質(zhì)量都有所提升，原零件加工的時間為單件16小時數(shù)控加工完成，后續(xù)需鉗工大量打磨修理約2小時，優(yōu)化后零件的實際加工時間為1件8小時，鉗工修理時間所減至0.5小時，零件總體加工提高效率約200%，并且零件加工的合格率為99%。充分滿足了零件鉚接的進度要求。

2.4 降低消耗

該零件原狀態(tài)加工時選用材料大小為1146mm×320mm，定額重量92.25kg，零件工藝方案完善后所用材料為1210mm×530mm/（2件），定額重量為80.8kg，節(jié)省材料定額11.45kg/件。

2.5 直接經(jīng)濟收益（估算）

8小時（節(jié)省工時：單件）×800元/小時（機床小時費率）=6400元

1.5小時（節(jié)省工時：單件）×160元/小時（人工小時費率）=240元

11.45kg×80元/kg（按國產(chǎn)鋁板估算）=916元

合計6400元+240元+916元=7556元（估算單件節(jié)省費用）

3 結(jié)語

零件優(yōu)化過程中主要是結(jié)合了零件的自身特點，旋轉(zhuǎn)零件的過程中，兩件幾乎對稱，可用此種方法進行加工，并且零件加工過程中，由于單件加工時真空夾具吸附區(qū)域較小，經(jīng)常出現(xiàn)零件與腹板貼合區(qū)域尺寸不固定，造成零件加工中的故障。零件所用材料組合加工后可以適當(dāng)進行縮減，并不影響零件的整體新方案進行加工。但是零件采用此中方法加工時，主要問題存在于如過零件裝配過程中單件出現(xiàn)報廢品情況時，補制比較困難，零件投產(chǎn)只能兩件同時進行，如果需單件補加工時，需將零件材料恢復(fù)至原始單件加工的狀態(tài)下才能進行加工。

隨著經(jīng)濟的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是航空產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜；產(chǎn)品的升級、換代加快，改型頻繁，因此企業(yè)要求發(fā)展，就必須更廣泛、高效地應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)，而怎樣提高數(shù)控加工的質(zhì)量及效率也成為數(shù)控加工中的問題。

文章以某型機某框類零件為例介紹了組合加工技術(shù)在批生產(chǎn)機型中的應(yīng)用，以及零件數(shù)控程序的優(yōu)化提效，并將零件的加工過程的工人勞動強度降低，提高零件按的加工質(zhì)量。