基于工藝創(chuàng)新的多柵格零件數(shù)控加工研究

吳志清

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州510075）

0 引言

數(shù)控技術(shù)對(duì)于制造業(yè)來說是一次革命性的崛起，數(shù)控加工在機(jī)械加工領(lǐng)域中的普及是越來越廣泛，其具有高效率、高精度、高柔性、低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸加工，大大地減少了對(duì)人的依賴，但多軸機(jī)床的價(jià)格卻比較昂貴，這對(duì)于一些中小企業(yè)來講，也是一筆較大的資金投入。

就目前而言，典型零件在數(shù)控機(jī)床上加工的應(yīng)用越來越普遍，相關(guān)領(lǐng)域也都加大了數(shù)控技術(shù)加工零件工藝的關(guān)注。只有不斷創(chuàng)新工藝，才能使普通數(shù)控車床上的加工達(dá)到多軸機(jī)床加工所要求的產(chǎn)品質(zhì)量和效果，才能使產(chǎn)品質(zhì)量不斷地提高，才能降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

本文通過對(duì)一些比較復(fù)雜的、加工難度又較高的零件，比如LED燈具的散熱器零件，通過對(duì)其數(shù)控加工工藝的設(shè)計(jì)，以及在其加工工藝上的不斷創(chuàng)新，在普通數(shù)控車床上進(jìn)行加工，同樣達(dá)到多軸機(jī)床加工所要求的質(zhì)量與效果，這樣就能解決一些中小企業(yè)不具備先進(jìn)的多軸數(shù)控設(shè)備的問題了。

1 LED燈具散熱器零件

LED（Light-emitting Diode的縮寫）燈是指采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管技術(shù)做為發(fā)光源的一種新型環(huán)保照明產(chǎn)品。LED燈具有省電節(jié)能、易控制、免維護(hù)、安全環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

1）散熱器零件。散熱器零件是LED燈具的一個(gè)重要元件，其主要的作用就是將LED芯片工作中產(chǎn)生的熱量不斷地快速導(dǎo)出并散發(fā)到外部環(huán)境中，使芯片的溫度保持在所要求的范圍內(nèi)，從而保證LED燈能夠正常工作。在LED燈具中金屬散熱器零件主要是以鋁質(zhì)材料為主，原因是金屬鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高、比重小、易加工、價(jià)格便宜，而且鋁質(zhì)散熱器完全能滿足LED燈散熱的要求。目前，較常見的鋁質(zhì)散熱器，一般包括壓鑄鋁和拉伸鋁散熱器兩種。壓鑄鋁散熱器的模具開發(fā)成本較高，二次加工成本偏大。拉伸鋁散熱器一次加工成本較低，也需要二次加工，二次加工成本也較高，而且形式較單一，產(chǎn)品的報(bào)廢率高，對(duì)加工設(shè)備的要求也較高。

2）LED散熱器零件圖。散熱器零件是一個(gè)回轉(zhuǎn)類零件，有內(nèi)、外圓柱，有細(xì)牙螺紋。

2 工藝分析與夾具設(shè)計(jì)

1）基本思路。高效率、高精度加工是數(shù)控機(jī)床加工最主要特點(diǎn)之一。尤其在輪廓不規(guī)則、復(fù)雜的曲線或曲面、多工藝復(fù)合化加工和高精度要求的產(chǎn)品加工時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。由于大量的加工操作需要裝夾，夾具設(shè)計(jì)在制造系統(tǒng)中就變得非常重要，它直接影響零件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和制造成本。本文通過分析散熱器零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，制定了一套較合理的夾具設(shè)計(jì)，從而為保證該零件的加工精度將提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工藝裝備。在拉伸鋁散熱器的二次加工中，我們考慮通過設(shè)計(jì)專門的加工工藝夾具及應(yīng)用，對(duì)拉伸鋁散熱器的數(shù)控加工及工藝進(jìn)行改良或創(chuàng)新，來降低二次加工的成本，提高產(chǎn)品的效率，減少產(chǎn)品的報(bào)廢率，并達(dá)到先進(jìn)的多軸數(shù)控加工要求的效果。

2）工藝分析。散熱器零件毛坯材料為鋁合金，其拉鋁的規(guī)格為64 mm×73 mm×42 mm。材料毛坯由客戶直接提供，屬于來料加工，大批量生產(chǎn)。LED燈具散熱器零件是回轉(zhuǎn)類零件，有內(nèi)、外圓柱面的加工，有外圓螺紋的加工，在數(shù)控車床實(shí)現(xiàn)大部分的加工是最高效最經(jīng)濟(jì)的做法。作為散熱器，最重要的是厚度為2、斜度為2帶有不規(guī)則弧度的散熱鋁合金薄片，裝夾困難，加工中容易出現(xiàn)變形和毛刺，普通的數(shù)控車床和通用夾具無法達(dá)到加工要求，因此必須設(shè)計(jì)出專用的夾具和制定加工方案。

3）夾具設(shè)計(jì)。對(duì)散熱器零件的圖紙和毛坯進(jìn)行研究后，針對(duì)此零件的特殊性，設(shè)計(jì)了一套專門用于加工該零件的專用夾具和加工方案。鋁合金薄片是同向分布的，有間隙的一端（61 mm）不能施加夾緊力，但另一端（70 mm）有較好的抗力能進(jìn)行裝夾，從而設(shè)計(jì)了專用夾具1、2，如圖3所示。彈簧夾頭的一端用銑床加工出用于裝夾工件的方形凹槽（如圖3所示彈簧夾頭1）和圓形凹槽（如圖3所示彈簧夾頭2），并都用線切割加工出10 mm的槽，這樣就可以進(jìn)行彈性裝夾。

4）第一次裝夾。散熱器零件加工實(shí)行兩次裝夾，利用設(shè)計(jì)好的彈簧夾頭夾具來進(jìn)行夾緊。第一次裝夾使用的是彈簧夾頭1（方形），在帶有拉桿的數(shù)控車床上進(jìn)行加工。鋁合金薄片是同向分布的，有間隙的一端（64 mm）不能施加夾緊力，但另一端（73 mm）有較好的抗力能進(jìn)行裝夾。所以彈簧夾頭1（方形），前端的方形為73 mm×73 mm。安裝散熱器毛坯時(shí)不用去找方向，夾具直接夾持毛坯能承受夾緊力的長(zhǎng)度為73 mm的邊。散熱器第一次裝夾的裝夾方法和夾具如圖4所示。這樣的使用彈簧夾頭進(jìn)行裝夾，拆裝方便快捷，大大提高了生產(chǎn)效率。

5）第二次裝夾。對(duì)已加工的毛坯底座進(jìn)行裝夾，底座為一整塊的材料不容易變形，設(shè)計(jì)出夾持部分為圓形的彈簧夾頭。使用和第一次裝夾一樣的帶拉桿的數(shù)控車床加工，進(jìn)行零件的第二次裝夾，加工難度不大。

利用夾具2對(duì)已加工的毛坯底座進(jìn)行裝夾，散熱器的第二次裝夾夾具2及裝夾方法如圖5所示。因零件的底座為一整塊的材料不容易變形，設(shè)計(jì)出圓形夾具進(jìn)行裝夾難度不大。但二次裝夾主要是對(duì)鋁合金薄片進(jìn)行的加工，在加工過程中由于厚度為2、斜度為2帶有不規(guī)則弧度的散熱鋁合金薄片容易變形，容易產(chǎn)生毛刺，而且裝夾后直接加工因變形而報(bào)廢的工件達(dá)到90%以上。根據(jù)零件的這個(gè)特點(diǎn)我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖6所示的一整套彈簧夾具，其中還包括了定位裝置（彈簧夾具2）、夾緊裝置（與散熱器零件薄片相配合）以及連接螺釘、螺母。先用連接螺釘、螺母把夾緊裝置和已經(jīng)進(jìn)行第一次裝夾加工的毛坯槽對(duì)槽地貼合固定，再把它裝夾到已經(jīng)固定在機(jī)床上的定位裝置上（彈簧夾具2）進(jìn)行定位裝夾，如圖6所示。

3 加工工藝方案的制定

根據(jù)設(shè)計(jì)出的散熱器零件的加工裝夾方法，我們可以制定出該零件在普通車床上加工的工藝方案。

1）第一次裝夾加工步驟：a.首先在加工前，在鉆床上加工出散熱器零件底面上的φ10的通孔，或者在數(shù)控車床上用安裝在刀架上的φ10鉆頭鉆出散熱器零件底面上的φ10的通孔。b.其次用設(shè)計(jì)好的夾具1夾住散熱器零件毛坯鋁合金薄片，夾持長(zhǎng)度為32 mm，用90°粗車刀來粗加工散熱器零件的φ61、φ70外圓及端面。c.然后再用90°精車刀精加工散熱器零件的φ61、φ70外圓及端面。d.用螺紋車刀加工出散熱器零件端頭的M61×1.5細(xì)牙外螺紋。e.最后用端面槽刀（刀寬不易過大，取3 mm，刀刃必須要鋒利）粗精加工φ56深度為1 mm端面槽。

2）第二次裝夾加工步驟：a.首先用設(shè)計(jì)的彈簧夾具2夾住散熱器零件的φ61和φ70外圓，夾持長(zhǎng)度為10mm。用設(shè)計(jì)好的夾具3套住散熱器零件上的鋁合金薄片并用螺釘及螺母鎖緊。b.其次用90°粗車刀來粗加工散熱器零件φ70長(zhǎng)為35 mm的外圓。c.因鋁合金薄片本身較薄，強(qiáng)度較弱，而尖刀加工時(shí)參加切削的刀刃與工件接觸的面積較小，不易產(chǎn)生變形，所以最后用尖刀來精加工散熱器零件零件φ70長(zhǎng)為35 mm的外圓。

4 加工工藝的創(chuàng)新

根據(jù)前面所述的加工工藝方案進(jìn)行加工，散熱器零件每件工件的加工時(shí)間約為6 min/件，雖然尺寸和表面粗糙度要求都符合了客戶的要求，但零件加工效率卻較低，特別是在第二次裝夾，除了比較耗時(shí)間外，而且裝夾后直接加工因變形而報(bào)廢的工件達(dá)到了90%以上。為了能更好地提高零件的成品率，減少零件的加工成本，減少每件零件的生產(chǎn)時(shí)間，我們?cè)谠屑庸すに嚨幕A(chǔ)上進(jìn)行了改良與創(chuàng)新。

4.1 灌蠟工藝

散熱器鋁合金薄片容易變形是因?yàn)椴牧嫌捕炔桓撸Y(jié)構(gòu)單薄，我們考慮能不能在散熱器零件薄片間灌入其他材料使其填滿空隙后再進(jìn)行加工，這樣不就能夠解決工件變形的這一難題了嗎？但是對(duì)于灌入工件的材料應(yīng)該便于清洗，而且不能夠?qū)ぜ牟馁|(zhì)有影響，因此我們初步擬定使用灌蠟的方法。

首先將加熱熔解液態(tài)的蠟均勻覆蓋于零件的內(nèi)表面和空隙處，冷卻后與工件成為一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的進(jìn)一步保護(hù)。零件加工完成后把零件放到60℃以上的熱水中就可以去除零件上附著的蠟，待水溫冷卻，蠟結(jié)成塊狀又可以完成蠟的回收，從而降低成本。

4.2 具體的步驟

首先是灌蠟，在加工前先把散熱器零件毛坯放置在模具中，將加熱熔解的蠟灌入散熱器零件毛坯中讓其冷卻凝固，如圖7所示。待蠟?zāi)毯螅崞麂X合金薄片部分就成為一個(gè)整體，這樣在數(shù)控加工過程中就免去了夾緊裝置，還有連接螺釘、螺母等夾具，第二次裝夾變得簡(jiǎn)單，節(jié)約了不少時(shí)間,零件加工完成后是融蠟的過程，用60℃以上的熱水對(duì)工件進(jìn)行泡浸，然后進(jìn)行晾干。這樣加工出的零件合格率也大大地得到了提高。最后加工完成的散熱器零件如圖8所示。

4.3 改良后工藝分析

與方案一相比，改良后的方案二有較明顯的優(yōu)越性，而且實(shí)際按照方案二進(jìn)行的散熱器零件的加工效率也得到了提高。將蠟灌入散熱器之后再進(jìn)行加工，可以直接使用夾具進(jìn)行裝夾，不再使用夾緊裝置、連接螺釘、螺母來夾緊固定，減少了裝夾工序的時(shí)間。加工的工件不容易產(chǎn)生變形和毛刺，加工出零件的效果比原來的加工方法要好，時(shí)間更快，大約每3 min就可以完成一件零件加工，生產(chǎn)效率提高50%，成本卻降低了，符合當(dāng)代先進(jìn)的加工生產(chǎn)要求。散熱器零件的加工質(zhì)量也能達(dá)到多軸數(shù)控機(jī)床所要求的，解除了一些中小企業(yè)沒有多軸加工設(shè)備的遺憾。

5 結(jié)語

本文通過介紹使用普通數(shù)控車床來加工LED燈散熱器零件，第一次工藝方案是通過設(shè)計(jì)專門的夾具裝夾后進(jìn)行加工，取得了成功。為了更好地提高零件的加工效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間，降低報(bào)廢率，在實(shí)際加工中，我們對(duì)原加工工藝方案又重新進(jìn)行了改良和創(chuàng)新，引用了當(dāng)代的新工藝，即灌蠟技術(shù)。通過引用了灌蠟技術(shù)后，加工零件的時(shí)間大大減少了，由原來的6 min/件，提高到了3 min/件，而且減少了工件的變形和毛刺的產(chǎn)生，報(bào)廢率減低了20%，大大提高了生產(chǎn)效率并節(jié)約了成本，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過本文所舉的例子，嘗試對(duì)一些典型零件在普通數(shù)控車床上加工時(shí)可以進(jìn)行加工工藝的創(chuàng)新，或者可以對(duì)一些比較復(fù)雜的、加工難度較高的零件通過設(shè)計(jì)專用的夾具，不斷提高零件的精準(zhǔn)度、光潔度、質(zhì)量、效率，以達(dá)到多軸加工要求的效果。

［1］ 陳云卿.數(shù)控車床編程與技能訓(xùn)練［M］.北京∶化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］ 肖繼德，陳寧平.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 王華橋，張穎，王德躍，等.實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)［M］.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］ 徐宏海.數(shù)控加工工藝［M］.北京∶中央廣播電視大學(xué)出版社，2008.