基于MasterCAM汽車異形支架數(shù)控加工工藝探析

隆丹寧

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 南寧 530007）

0 引 言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用，汽車改型換代的速度不斷加快，各汽車制造廠商的競爭更加激烈。汽車制造商只有通過不斷縮短研制周期并及時(shí)投放新車型，才能提高市場競爭力，新車型開發(fā)和研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于汽車零部件的研發(fā)與試制。由于汽車零部件試制屬于單件小批量生產(chǎn)且形狀復(fù)雜，原有的鑄造和機(jī)加工等傳統(tǒng)方式因生產(chǎn)周期長、成本高、精度低，無法適應(yīng)零部件試制需求[1]。隨著五軸數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)的普及，在汽車制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，這對縮短汽車零部件試制時(shí)間和提高加工精度具有重要意義?，F(xiàn)以某汽車底盤關(guān)鍵零部件試制為例，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，試制數(shù)量為10件，15天內(nèi)交付。

圖1 零件三維結(jié)構(gòu)

1 圖樣技術(shù)分析

根據(jù)零件圖紙技術(shù)要求，零件尺寸執(zhí)行ISO 2768 M級公差標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸精度要求最高的是軸孔，鏜孔后的精度為；形位公差要求孔的輪廓度和孔的位置度為0.2 mm，孔的同軸度為0.03 mm，粗糙度需達(dá)到Ra1.6 μm。由于后期零件需要通過黑色氧化處理，在零件表面生成0.01 mm厚度的保護(hù)性氧化膜，為確保處理后零件尺寸精度，所有尺寸加工后留單邊余量-0.01 mm。

由于零件屬于不規(guī)則異形薄壁件，加工過程中存在以下難點(diǎn)：①如何合理選擇零件加工擺放角度，盡可能在第一次粗加工中去除更多的材料，同時(shí)保證反面加工時(shí)夾具容易制作；②由于零件的長寬比大，壁厚較薄，如何在加工過程中減小變形；③反面精加工時(shí)夾具的制作；④確保2個(gè)φ12 mm薄壁軸孔的鏜孔精度和同軸度。

2 數(shù)控加工工藝策略分析

企業(yè)現(xiàn)有30臺三軸數(shù)控機(jī)床和3臺五軸數(shù)控機(jī)床，從加工成本和提質(zhì)增效考慮，為了充分發(fā)揮三軸數(shù)控機(jī)床加工成本低和五軸數(shù)控加工精度高的優(yōu)勢，異形支架零件采用整體加工技術(shù)方案：先在三軸數(shù)控加工中心完成零件的正、反面粗加工，盡可能去除多的材料，同時(shí)為保證零件加工精度與減少裝夾次數(shù)，盡可能使用最少工序完成零件加工[2]，由五軸數(shù)控加工中心完成零件的半精加工和精加工，后期通過黑色氧化處理完成零件制作。

2.1 零件材料和毛坯尺寸的選擇

由于支架零件屬于汽車底盤關(guān)鍵部件，要求零件具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)盡可能減輕質(zhì)量，選取的材料為7057-T6鋁塊。根據(jù)二維零件投影圖顯示零件的尺寸為291.31 mm×127.5 mm×247.6 mm，結(jié)合零件在加工過程中的擺放角度（見圖2），選擇加工毛坯尺寸為360 mm×140 mm×135 mm。

圖2 零件加工時(shí)擺放

2.2 粗加工策略與分析

2.2.1 零件粗加工時(shí)的裝夾與定位

零件正面的粗加工可以通過虎鉗裝夾完成，并在零件的正面加工用于反面粗加工的基準(zhǔn)面和裝夾位。由于加工的是薄壁件，為了防止在加工過程中因夾緊力分布不均勻而出現(xiàn)吃刀或讓刀現(xiàn)象，造成零件加工余量分布不均勻，基準(zhǔn)面和裝夾位應(yīng)均勻分布在零件薄壁處，如圖3所示的5個(gè)矩形面C。在5個(gè)矩形面加工定位基準(zhǔn)面A，同時(shí)在距定位基準(zhǔn)面A的下方10 mm處，采用4 mm厚的T形銑刀銑出深3.5 mm矩形槽位，用于反面粗加工的定位與裝夾，模擬加工結(jié)果如圖4所示。將正面粗加工的定位基準(zhǔn)面和裝夾位的刀具路徑鏡像復(fù)制至反面，在反面加工定位基準(zhǔn)面B和裝夾位，模擬加工結(jié)果如圖5所示。零件熱處理后通過基準(zhǔn)面B的定位和定位基準(zhǔn)面A，為零件精加工時(shí)的定位和裝夾做好準(zhǔn)備。

圖3 零件正面粗加工基準(zhǔn)面位置

圖4 定位基準(zhǔn)面A

圖5 定位基準(zhǔn)面B

2.2.2 零件粗加工工藝分析

在編寫粗加工的刀具路徑前，通過補(bǔ)面的方式構(gòu)建輔助面，如圖6所示，把零件所有型腔區(qū)域和孔先封閉，避免加工過程中小直徑刀具進(jìn)入型腔區(qū)域和孔進(jìn)行切削，造成型腔區(qū)域和孔出現(xiàn)踩刀或側(cè)壁過切等現(xiàn)象。半精加工時(shí)再根據(jù)型腔和孔的尺寸選擇不同的刀具進(jìn)行加工。

以正面的粗加工為例，在MasterCAM軟件3D曲面加工中采用優(yōu)化動(dòng)態(tài)粗切加工方式進(jìn)行編程，粗加工選用的刀具和切削參數(shù)如表1所示。為了延長刀具使用壽命和提高零件加工精度，同時(shí)加工時(shí)能夠選擇更高的切削速度和進(jìn)給率，必須控制刀具的伸出長度，確保加工過程中刀具具備一定的剛性，因此采用刀柄長度為50 mm的φ12 mm合金波刃平銑刀進(jìn)行粗加工，該刀具在Z方向加工的最深深度為-124.5 mm。選擇剩余區(qū)域粗加工編程方式，使用刀柄長度為100 mm的φ20 mm平銑刀去除D12平銑刀粗加工剩余的材料。為了消除熱處理工序造成的變形誤差影響，同時(shí)防止因預(yù)留的加工余量過小而產(chǎn)生廢品，粗加工后預(yù)留的單邊加工余量為2 mm。

表1 正面粗加工的切削參數(shù)

用φ10 mm的平銑刀精修圖4所示A處的5個(gè)定位基準(zhǔn)面，并用T20×4的T形銑刀在距定位基準(zhǔn)面下面10 mm處銑出下道工序的5個(gè)裝夾位。

零件反面的粗加工采用相同的編程加工方式，切削參數(shù)除了Z向深度根據(jù)實(shí)際加工深度選擇外，其它參數(shù)設(shè)置、切削用量和刀具選用與正面粗加工基本一致。

2.2.3 零件粗加工后的熱處理

在粗加工的過程中，為了更加高效地去除材料，采用大進(jìn)給速度和吃刀深度，零件在切削過程中由于受到切削力和切削熱的作用產(chǎn)生彈性形變和塑性形變，造成加工內(nèi)應(yīng)力，零件容易發(fā)生變形。為防止零件在精加工后釋放應(yīng)力而變形，影響精加工的尺寸精度，零件在完成正、反面的粗加工后必須進(jìn)行去應(yīng)力退火處理：將零件放在加熱爐內(nèi)，爐溫升至260 ℃保溫3 h后緩慢冷卻至常溫，在常溫下時(shí)效處理24 h。

2.3 精加工策略與分析

2.3.1 精加工的定位與裝夾

以精修后的基準(zhǔn)面A作為定位基準(zhǔn)，在距離基準(zhǔn)面10 mm處的矩形槽用壓塊壓緊零件，完成反面的半精加工和精加工。

完成反面精加工后，在零件所有的薄壁處與平面處用502膠水粘貼ABS塑料塊做為正面加工的支撐塊。在編程坐標(biāo)零平面處，采用φ10 mm平銑刀將粘貼后的塑料塊銑出同一高度的平面，并在此平面上粘貼1塊厚度為15 mm的定位塊。在定位塊上加工6個(gè)φ10 mm的銷孔和8個(gè)M6 mm的螺釘孔用于正面精加工的定位與裝夾，如圖7所示。

圖7 定位塊

2.3.2 精加工工藝分析

由于零件屬于薄壁異形件，所有半精加工和精加工都需在五軸數(shù)控機(jī)床上完成。現(xiàn)使用的是雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床，即主軸只在Z方向做垂直運(yùn)動(dòng)，工作臺可以繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)（即B軸和C軸），2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成一個(gè)整體雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，加工過程中工作臺旋轉(zhuǎn)并擺動(dòng)。此類機(jī)床的特點(diǎn)是主軸剛性較好，加工中可以使用大的切削量，但是受轉(zhuǎn)臺尺寸的限制，只適合加工體積小、質(zhì)量輕的零件[3]。為了防止工作臺的B軸在旋轉(zhuǎn)大于±90°時(shí)碰撞主軸，需在零件下方放置高度為120 mm的墊塊。

以反面精加工為例，在MasterCAM軟件采用3+2定軸加工編程模式，為了確保半精加工后的加工余量合理且均勻分布，分別使用φ12 mm和φ10 mm的平銑刀，通過殘料區(qū)域粗加工和45°角平行式曲面精加工2種編程方式完成零件反面的半精加工，再使用φ6 mm的平銑刀和φ11.9 mm的鉆頭完成圖6（a）中型腔區(qū)域和孔的粗加工和半精加工，所有加工區(qū)域留0.1 mm的精加工余量。對于有加工精度和同軸度要求的上、下孔，如圖8所示，需用φ12.02 mm鉸刀完成孔的精加工后，再加工上、下孔之間的槽位。

圖8 有同軸度要求的上孔與下孔

在精加工工序中，分別用φ10 mm和φ8 mm的平銑刀以外形銑削方式完成所有面的精加工，精加工余量為-0.01 mm。再分別使用R5、R3、R2 mm球刀以及6×45°倒角刀對零件進(jìn)行清角加工。各刀具反面半精加工和精加工切削參數(shù)用量如表2所示。

表2 反面半精加工和精加工切削參數(shù)

2.3.3 精加工后的處理

在完成零件精加工后，為了去除粘貼在零件反面的ABS塑料塊，把零件放入加熱爐內(nèi)升溫至120 ℃，待ABS塑料塊變軟后將其撕下，然后將脫膠劑噴灑在零件表面，把剩余的ABS殘料清洗干凈，最后進(jìn)行零件的黑色氧化處理。

4 結(jié)束語

汽車支架是形狀復(fù)雜且較難加工的零件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和形狀特點(diǎn)，結(jié)合零件圖紙的技術(shù)要求，合理制定加工工藝方案，優(yōu)化刀具路線，選擇合適的切削用量，同時(shí)根據(jù)不同的工序要求和零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工裝夾具，提高零件的加工質(zhì)量，為同類零件加工工藝的設(shè)計(jì)提供參考。