鏡筒注塑件的機械加工工藝研究與優(yōu)化

蘇君，盛青山，徐樹清

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 南陽 473009；2.中光學(xué)集團，河南 南陽 473009）

0 引言

某鏡筒件屬于典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜薄壁異形塑料零件，根據(jù)塑件的材料、生產(chǎn)批量、結(jié)構(gòu)特點、成型特性等方面綜合考慮，采用注塑模加工成型。注塑模具存在多滑塊抽芯，該塑料零件成型后會存在變形現(xiàn)象，且該塑件結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜、壁薄、異形、精度高、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，從而導(dǎo)致塑件無法達(dá)到圖樣尺寸精度、易變形等問題。為了解決加工精度低和易變形等工藝問題，經(jīng)過多次工藝方案優(yōu)化，確定采取注塑模具加工鏡筒件外形形狀后，對精度高、易變形的局部結(jié)構(gòu)采用機械精加工方案來完成鏡筒件的加工[1]。本文著重論述塑件機械加工工藝改進方法。重點從塑件機械加工過程中剛性差、難定位、材料加工性能差等方面入手[2]，通過改進熱處理工藝和加工工藝，制定合理的加工工藝方案，解決了該塑件加工精度低、易變形、裝夾難等難題，以提升塑件的質(zhì)量，從而達(dá)到塑件的使用要求。

1 塑件加工工藝問題及解決方案

鏡筒零件的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，零件的各尺寸及角度精度要求高，相互之間都有位置度要求，零件主體結(jié)構(gòu)的壁厚很薄，最薄處僅有1 mm，且結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)上有定位連接小孔，為提升連接強度，連接處壁厚增厚，且有凸臺，因此該零件屬于典型的異形薄壁件。該塑件的常規(guī)加工工藝為塑料模具加工，但是由于塑料性能、結(jié)構(gòu)異形、加工工藝等原因造成塑件的變形和尺寸精度低等現(xiàn)象，導(dǎo)致塑件成型后無法滿足裝配要求，最后塑件無法交付。

圖1 鏡筒零件的CAD截圖

圖2 鏡筒零件的三維圖

為了能夠提高塑件加工效率和加工精度，達(dá)到設(shè)計加工精度和裝配的要求，減小塑件的變形量，經(jīng)過優(yōu)化加工方案設(shè)計，綜合考慮注塑加工效率高、加工復(fù)雜零件的優(yōu)點[3-4]，與機械加工精度高的特點，采取注塑加工與機械加工相互結(jié)合的方法，使塑件的精度達(dá)到圖樣要求及滿足使用要求，彌補了因注塑加工所造成的塑件質(zhì)量缺陷。該塑件在機械加工中存在以下問題：1）塑料零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、異形，兩個中心孔相互垂直，兩端孔口是傾斜面，尺寸及角度精度要求高，凸臺上孔直徑小，對加工方法的要求高；2）塑料零件因材料具有塑性好、易變形的性能，在加工時受到切削力影響，剛度差，易產(chǎn)生變形，加工時振動嚴(yán)重，影響零件加工精度和效率；3）塑料零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁，小孔的位置在凸臺上，凸臺的壁很薄，加工時很難選擇定位基準(zhǔn)、裝夾位置，造成裝夾困難，影響加工精度；4）塑料零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸多且精度高，加工過程中檢測困難，影響加工過程中精度控制；5）根據(jù)加工方法和加工設(shè)備情況，采用數(shù)控銑床，在加工過程中，必須利用設(shè)備所帶的第四軸（即轉(zhuǎn)軸），在一次裝夾下完成；采用3個螺釘壓緊塑料零件，一次裝夾下完成。

通過以上問題分析，該塑料零件的機械加工難度較大，需要采用最優(yōu)的工藝方案來提高工件的精度和加工效率，以此來滿足塑料零件的產(chǎn)品使用要求。

2 工藝難點及解決方案

對于該塑件在注塑成型后易變形、難以進行機械加工等工藝難點，從塑件成型后處理工藝方面來入手，目的是為了消除內(nèi)應(yīng)力，防止塑件在使用過程中產(chǎn)生變形或開裂。根據(jù)塑料的特性和使用要求，塑件可進行退火處理和調(diào)濕處理。考慮塑件的工藝特性、裝配工藝和使用要求等方面，確定采取去應(yīng)力退火處理工藝來減小塑件變形量。

2.1 去應(yīng)力退火

塑料零件裝配后，都要求進行高、低溫實驗、沖擊實驗及各項性能實驗，每一個零件加工完后，都必須進行性能實驗，特別是自身的質(zhì)量穩(wěn)定性能一定要可靠，因此要進行熱處理（退火）以消除零件內(nèi)部殘余應(yīng)力，進行高、低溫處理以保證零件內(nèi)部穩(wěn)定性。

在實際生產(chǎn)中對金屬零件的熱處理（退火）、高、低溫處理情況有所了解和掌握，但是對塑料零件的熱處理（退火）、高、低溫處理情況在生產(chǎn)實際中使用較少，經(jīng)驗不足。先從理論依據(jù)分析入手，借助于熱處理材料手冊及塑料件（PPS+40%玻纖）熱性能分析得知，經(jīng)過處理后，材料能夠滿足沖擊實驗及各項性能實驗的要求，并通過生產(chǎn)試驗確定熱處理（退火）、高、低溫處理工藝，制定了詳細(xì)的熱處理方案：1）聚苯硫醚（PPS+40%玻纖）材料退火工藝規(guī)范。退火時，預(yù)熱升溫至（170±5）℃，保溫2 h，退火時間達(dá)到后，必須隨爐緩慢冷卻。2）聚苯硫醚（PPS+40%玻纖）材料時效（高、低溫）工藝規(guī)范。高溫時效溫度為（70±5）℃，低溫時效溫度為（-55±5）℃，高溫、低溫時效保溫時間每次各為1 h，中間轉(zhuǎn)移時間不允許超過40 s。時效順序為：高溫時效→低溫時效→高溫時效→低溫時效。

2.2 孔、角度的加工

從圖1可以看出，該鏡筒件各尺寸及角度精度要求高，孔與孔之間的相對位置度要求高，零件壁薄，最薄處為1 mm，對于這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且相互之間都有關(guān)聯(lián)的零件，不能靠傳統(tǒng)的方法加工，這樣無法保證尺寸精度，必須選用數(shù)控銑；此類塑料零件的加工是第一次遇到，在加工過程中，很容易產(chǎn)生變形，怎么去控制振動對零件精度的影響；還有加工時基準(zhǔn)面的選擇、夾具的設(shè)計與制作都是很關(guān)鍵的。綜合考慮實際加工水平，優(yōu)化加工工藝方案，具體工藝方案如下。

1）制定工藝路線。利用塑料零件上成型的3個M3過孔,用3×M2.5螺釘把零件固定在專用夾具上，夾具先裝在設(shè)備轉(zhuǎn)盤上，以零件上基準(zhǔn)面B及兩個寬2 mm凸臺定位，通過數(shù)控編程，自動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，一次加工各面、孔、角度，全部尺寸到位（各加工面都預(yù)留有預(yù)量），工裝圖如圖3所示。

圖3 工裝圖

2）加工效果。由于塑料件在注塑成型后，基準(zhǔn)面B變形，不平整，有高、低不平現(xiàn)象，因此加工后零件存在回彈現(xiàn)象，造成尺寸精度無法保證，達(dá)不到設(shè)計要求。

3）工藝改進措施。先把基準(zhǔn)面B銑平整，減少尺寸誤差，從而提高加工時的定位精度；首先利用輔助基準(zhǔn)，先加工出所用基準(zhǔn)面B，再一次加工其他部位；并調(diào)整設(shè)備參數(shù)，盡可能慢走刀，高轉(zhuǎn)速，加工出的表面粗糙度低，以此來滿足后續(xù)工藝定位基準(zhǔn)要求。

通過修改模具，讓基準(zhǔn)面B有能加工出來的預(yù)留量（大約有0.2 mm），再增加一道數(shù)控銑工藝，通過專用夾具，用中心孔、定位銷6定位，用壓板5壓緊，用螺釘4緊固，避開兩個寬2 mm凸臺，把基準(zhǔn)面B銑平。加工工裝如圖4所示。

圖4 加工工裝示意圖

4）改進后加工效果。由于采用專用夾具，采用在空間處填補一些泡沫的方式來防止振動對零件精度的影響，提高基準(zhǔn)面的精度，零件精度尺寸及形位公差得到了完全的保證。

5）創(chuàng)新點。采取專用工裝，第一次加工基面，第二次通過一次裝夾就能全部加工完成，減少了多次加工所帶來的定位誤差，提高了塑料零件加工精度。

3 塑料零件加工檢測分析與確定

塑料零件的尺寸精度高，相對位置尺寸多，加工過程中零件不好檢測，各孔的測量可以利用量規(guī)進行檢測，相對位置尺寸就難以檢測。如利用三坐標(biāo)測量儀進行檢測，效率較低，不利于現(xiàn)場檢測，因此需找到合適的測量方法。

通過對零件性能詳細(xì)分析與研究，考慮零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、易變形、精度高、難定位等特性，需要設(shè)計出輔助檢測工裝。檢測工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，利用標(biāo)準(zhǔn)角度測量塊3，在現(xiàn)場即可直接檢測角度誤差。采用檢測輔助，可以實現(xiàn)邊加工邊檢測，實時監(jiān)控加工精度和效果，測檢結(jié)果很直觀、準(zhǔn)確，操作簡單、節(jié)省時間、提高效率。

圖5 檢測工裝圖

4 加工效果

通過采用預(yù)留機械加工余量、去應(yīng)力退火、泡沫填充裝夾、設(shè)計專門檢測工具等工藝優(yōu)化方案，實現(xiàn)了薄壁塑料零件的機械加工。加工后的塑件壁厚均勻，同時滿足最薄壁1 mm的精度要求，孔和轉(zhuǎn)角的尺寸精度都符合裝配要求，通過進一步加工，成品可直接投入裝配使用。采取專用工裝，第一次加工基面，第二次通過一次裝夾就能全部加工完成，減少了多次加工所帶的誤差，也實現(xiàn)了塑料零件加工的可能。

5 結(jié)語

薄壁鏡筒塑件的精密加工工藝方案在機械加工中易于實現(xiàn)，大大提升了加工工藝性，成效明顯，針對各類薄壁塑件的機械加工有很好的借鑒作用。得到以下結(jié)論：1）設(shè)計了塑料PPS熱處理（退火）工藝及高、低溫處理工藝；2）實現(xiàn)了工藝的突破和經(jīng)驗的積累，為今后的注塑零件的加工打下基礎(chǔ)；3）采用專用夾具，通過一次裝夾，就能全部加工完成，減少了多次加工帶來的誤差，提高了加工效率；4）采取檢測輔具，并利用標(biāo)準(zhǔn)角度塊進行檢測，操作簡單，提高了檢測效率。