復(fù)雜薄壁散熱器零件數(shù)控加工技術(shù)研究 *

韓 軍 熊風(fēng)生 姚 晟 徐 睿

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭014010)

較多的加工特征、較高的形位精度要求和易變形的薄壁區(qū)域都是零件加工過程中面臨的問題，如何解決這些加工難題，成為了很多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。魏娟[1]等人對(duì)殼體零件結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，從裝夾方式、加工工藝、不同特征的刀具路徑出發(fā)對(duì)零件加工技術(shù)進(jìn)行了研究；楊洋[2]等人通過對(duì)空氣舵體零件結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行分析，從加工工藝、專用夾具和編程方法等方面對(duì)數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行了研究；汪際雄[3]等人針對(duì)飛機(jī)薄壁支座零件的特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)專用夾具，優(yōu)化加工工藝方案，減少加工誤差積累，提高了工件表面質(zhì)量。

本次研究主要是為提高零件位置精度、尺寸精度及解決零件薄壁變形問題。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

散熱器的零件圖和建模圖，如圖1和圖2所示。結(jié)合這兩幅圖能夠分析零件的結(jié)構(gòu)特征要素：通孔、扇形型腔、圓形型腔、矩形型腔、平面、圓弧面、半球面、倒圓角、流道槽和U型槽組成。如圖2所示，零件的正面(圖2a)和反面(圖2b)均有加工特征，結(jié)構(gòu)復(fù)雜位置精度高，其輪廓尺寸120 mm×100 mm×28 mm,材料為鋁合金。零件加工技術(shù)要求：未注尺寸公差為IT13。零件有4個(gè)φ8 mm的通孔、2個(gè)φ12 mm的通孔，具體尺寸如圖1所示。

2 零件加工工藝分析

2.1 加工難點(diǎn)分析

(1)位置精度難以保證

由于零件正面和反面都有要加工的特征，傳統(tǒng)工裝板固定時(shí)需要多次裝夾，多次裝夾會(huì)導(dǎo)致位置精度誤差積累，使零件正反兩面的加工位置發(fā)生偏差，固定壓板的作用導(dǎo)致零部分加工區(qū)域無法一次性完成，批量生產(chǎn)加工效率低。因此需要設(shè)計(jì)具有定位功能的專用夾具，在零件上選擇2個(gè)合適特征孔作為每次裝夾的定位孔，保證零件的位置精度。

(2)薄壁加工易變形

零件薄壁部分最薄處的壁厚只有1 mm，最厚處的壁厚只有4 mm，而且都需要去除大量的材料，隨著材料的大量去除，在切削力和大量切削熱的條件下容易引起薄壁處發(fā)生變形，零件內(nèi)部材料的大量去除導(dǎo)致零件剛度下降，在刀具銑削力的作用下薄壁極易發(fā)生變形，影響零件的加工精度。在設(shè)計(jì)專用夾具過程中把這些因素考慮在內(nèi)，通過專用夾具抑制零件薄壁變形。

2.2 刀具選擇

散熱器零件需要經(jīng)過銑、鉆、擴(kuò)、鉸和倒角等多道加工工序，所以需要多把刀具，考慮到零件材料的特性，選用硬質(zhì)合金鋼刀具。根據(jù)對(duì)散熱器零件尺寸以及加工要求的綜合考慮，對(duì)加工刀具進(jìn)行合理選擇。刀具卡如表1所示。

表1 刀具卡

2.3 加工工藝安排

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，制定更為高效的加工方案。由于零件的正面和反面都有要加工的特征，所以需要進(jìn)行多次裝夾，同時(shí)還要保證零件的相對(duì)位置精度，就需要對(duì)零件進(jìn)行高精度的定位。第1次裝夾需要預(yù)先在毛坯上加工出2個(gè)φ12 mm的通孔作為定位孔，如圖1所示可知φ12 mm通孔的粗糙度為Ra1.6 μm，通過鉆—擴(kuò)—鉸的方式對(duì)該定位孔進(jìn)行加工；通過分析可知，零件第2次裝夾要完成正面(圖3a)的A區(qū)域、B區(qū)域、D區(qū)域及U型槽的粗加工、半精加工和精加工，并作為第3次裝夾的基準(zhǔn)平面；第3次裝夾要完成反面(圖3b)的E區(qū)域、F區(qū)域、G區(qū)域、H區(qū)域、I區(qū)域、J區(qū)域、K扇形區(qū)域的粗加工、半精加工和精加工及L4個(gè)φ8 mm孔的加工，工件的毛坯下料尺寸為130 mm×110 mm×30 mm。如圖3所示，為第2次裝夾和第3次裝夾需要加工的部分，并用字母標(biāo)記出來，具體加工步驟如表2所示。

表2 加工工序卡

2.4 專用夾具設(shè)計(jì)

該零件為批量生產(chǎn)的零件，傳統(tǒng)的工裝板固定不但裝夾不便，而且不能解決薄壁的變形問題，零件的位置精也難以保證。根據(jù)加工工藝分析和安排對(duì)專用夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際中出現(xiàn)的問題，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行解決：

(1)裝夾方便。

(2)能保證零件位置精度。

(3)夾緊后能保持零件不變形或變形小不影響加工精度。

(4)保證夾具裝夾力能抵消或減弱銑削力對(duì)零件薄壁變形的影響，使零件公差尺寸精度滿足要求。

由圖2零件建模圖可知，零件的兩個(gè)面都有加工內(nèi)容。設(shè)計(jì)兩個(gè)定位銷柱,對(duì)應(yīng)第1次裝夾加工完成的兩個(gè)直徑為12 mm定位孔，高度低于反面加工表面，同時(shí)也充當(dāng)加緊裝置，其強(qiáng)度滿足要求。第2次、第3次裝夾固定均可采用一面兩銷的定位方式來滿足位置精度的要求，夾具的夾緊力是通過絲桿帶動(dòng)壓板與銷柱產(chǎn)生的。壓板的好處有2個(gè)：其一，產(chǎn)生夾緊力，并且使絲桿力均勻分布在零件輪廓表面上，防止零件局部集中受力產(chǎn)生變形。其二，在對(duì)H區(qū)域銑削加工時(shí)，防止薄壁向外側(cè)變形，如圖5和圖6所示。

第4次裝夾要完成零件外輪廓的粗加工、半精加工和精加工，此時(shí)的固定不再通過絲桿和壓板，而是通過銷釘進(jìn)行固定，如圖7所示。由于零件內(nèi)部加工已經(jīng)完成，這時(shí)零件內(nèi)部已經(jīng)鏤空，零件的剛度降低，在加工零件外部輪廓時(shí)薄壁極易發(fā)生變形。所以設(shè)計(jì)了一個(gè)凸臺(tái)與反面的內(nèi)輪廓進(jìn)行配合，增加零件的剛度，夾具凸臺(tái)部分如圖4所示。

3 不同夾具裝夾下銑削力對(duì)零件變形影響

3.1 銑削力計(jì)算

將傳統(tǒng)工裝板固定與專用夾具固定進(jìn)行比較。在相同銑削力條件下，采用有限元軟件分析不同夾具裝夾下薄壁的變形量。如圖7所示為專用夾具夾緊固定，如圖8所示為傳統(tǒng)工裝板固定，分別對(duì)工件外輪廓進(jìn)行加工。

銑削力計(jì)算公式[4]：

(1)

式中：C是材料的銑削條件系數(shù)，v為銑削速度，ap為銑削深度，f為進(jìn)給量，aw為銑削寬度，d為刀具直徑。，將式(1)等號(hào)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，把公式轉(zhuǎn)化為線性方程，可得式(2)：

lgF=lgC+xlgv+ylgap+mlgf+nlgaw+lgd(2)

按照四元線性模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可得線性回歸方程為：

(3)

通過文獻(xiàn)[4]的數(shù)據(jù)回歸分析，可得到銑削力在x、y、z這3個(gè)方向分力的指數(shù)公式 ：

在實(shí)際加工過程中，零件進(jìn)行外輪廓半精加工時(shí)薄壁處極易發(fā)生變形。在兩種夾具固定方式下，外輪廓半精加工切削深度ap=23 mm，進(jìn)給量f=800 mm/min，銑削速度v=78 m/min，銑削寬度aw=1.5 mm，刀具直徑d=20 mm，切削液沒有開啟，故取k=1，代入式(4)計(jì)算得到Fx=632.74 N，F(xiàn)y=944.36 N，F(xiàn)z=162.46 N。

理論上切削力和理論約束力要達(dá)到靜力平衡，但是實(shí)際加工中，銑削力計(jì)算公式[5]需要乘以安全系數(shù)K，實(shí)際約束力公式為：

K=K0·K1·K2·K3

(5)

式中：鋁合金材料的基本安全系數(shù)K0=1.5，加工性質(zhì)因數(shù)K1=1.2，刀具鈍化因數(shù)K2=1.3，切削特點(diǎn)因數(shù)K3=1.0，鋁合金切削系數(shù)CF=167，修正系數(shù)kF=1.0，ae=0.05d=1 mm，每齒進(jìn)給量af=0.08 mm，刀具直徑d=20 mm，齒數(shù)z=4，切削深度ap=23 mm，將數(shù)據(jù)代入式(5)中求得實(shí)際約束力為460.18 N。

3.2 有限元分析

通過公式計(jì)算薄壁處銑削力在x、y、z方向的分力。采用有限元軟件分析傳統(tǒng)工裝板固定與專用夾具固定在相同銑削力條件下薄壁的變形量。在有限元軟件中對(duì)散熱器零件進(jìn)行材料設(shè)定、網(wǎng)格劃分、施加載荷和約束力后進(jìn)行求解，其求解結(jié)果如圖9所示的變形云圖，采用傳統(tǒng)工裝板固定零件最大形變量為0.057 3 mm，超出公差要求，而采用專用夾具固定零件最大形變量為0.015 8 mm，滿足公差要求。

4 VERICUT仿真加工實(shí)驗(yàn)

(1)零件仿真加工

新建一個(gè)項(xiàng)目，確定加工工位，選用實(shí)驗(yàn)室DMG50數(shù)控加工中心對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)和數(shù)控加工中心機(jī)床。依次導(dǎo)入夾具、工件毛坯、零件設(shè)計(jì)模型、建立工件坐標(biāo)系、刀具和加工程序。上述工作做完后開始對(duì)零件進(jìn)行仿真加工實(shí)驗(yàn)，仿真加工效果，如圖10所示。該過程可以檢查出零件加工過程中的過切、殘留及碰撞等問題，便于技術(shù)人員及時(shí)做出改正[6]。

(2)零件精度檢驗(yàn)

應(yīng)用自動(dòng)比較功能檢測零件精度。仿真加工試驗(yàn)完成后，將加工完成的零件與零件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較分析，過切部分用淺灰色表示其比較公差也設(shè)為0.04 mm，殘留部分用深淺灰色表示其比較公差也設(shè)為0.04 mm，通過比較得到的分析結(jié)果如圖11所示，沒有區(qū)別，實(shí)體比較模式效果如圖12所示，沒有出現(xiàn)設(shè)定的顏色，既沒有過切的部分也沒有殘留的部分，也滿足零件的精度要求。

5 實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)將采用DMG50數(shù)控加工中心對(duì)零件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，散熱器零件加工實(shí)物如圖13所示，使用海克斯康三坐標(biāo)測量儀對(duì)零件進(jìn)行尺寸精度檢測，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 尺寸測量 mm

零件在加工過程中，采用一面兩銷的定位方式提

高了零件的位置精度，在第3次裝夾時(shí)，夾具的壓板抑制了薄壁向外側(cè)變形，第4次裝夾時(shí)，夾具的凸臺(tái)抑制了薄壁向內(nèi)側(cè)變形，這些對(duì)提高零件加工精度起到至關(guān)重要的作用。通過尺寸精度測量數(shù)據(jù)可知零件的加工精度滿足要求，證明該方案在抑制薄壁變形提高加工精度有著顯著的效果。

該零件為批量生產(chǎn)的零件，由于零件需要多次裝夾，在使用傳統(tǒng)工裝板時(shí)，定位精度低、裝卸不便且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，延長了零件的加工時(shí)間。在使用專用夾具時(shí)，只需控制夾具的絲桿即可完成零件的裝卸，省時(shí)省力，夾具的銷柱保證了零件每次裝夾的位置精度。零件批量生產(chǎn)時(shí)，縮短了生產(chǎn)周期，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

通過對(duì)零件的綜合分析，制定了合理的工藝方案，設(shè)計(jì)了定位精度高、裝夾方便、能抑制變形的專用夾具，提高了加工精度和效率；使用仿真軟件對(duì)零件進(jìn)行仿真加工實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)加工過程的合理性，消除加工中存在的問題，使加工具有可控性。此次研究創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了物理仿真與幾何仿真相結(jié)合的方式，避免了此前研究僅限于幾何仿真的單一性；并設(shè)計(jì)了裝夾方便、能抑制變形、定位精度高的專用夾具。