一種薄板類零件加工方法的優化

陳磊+夏凱+劉蘭波

摘 要：本文論述分析了航天某型號鋁合金蓋板類零件的技術要求和結構工藝性，設計裝夾工裝，制定了合適的數控加工工藝。重點解決了薄壁蓋板原有加工的工藝問題和工件加工定位不穩定的現象，避免了因此類工藝缺陷引起的加工質量問題。此外根據優化的加工工藝選用MasterCAM軟件進行了自動編程，實現了該零件的高精度加工。

關鍵詞：薄壁蓋板；裝夾工裝；數控工藝

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0072-02

1 零件的技術要求和結構工藝性分析

1.1 零件的技術要求

圖1為成型后的薄板零件圖，該零件材料為硬鋁2A12-T4，屬于典型的薄壁盤類結構，該零件對制成品的平面度、表面粗糙度和尺寸精度有一定要求，零件表面的粗糙度要求為Ra1.6，正反兩面平面度均為0.1mm，孔之間的位置精度為0.1mm。最大外形為126mm×2mm，加工成型后最小壁厚只有0.5mm，易變形。

1.2 原有加工方案及產生的問題

1.2.1 原工藝方案

對于該零件的加工，其原有加工工藝為五個工步，涉及到普通銑床、鉗工、數控銑床、線切割4個工種。（工藝路線表）如下：

銑床：銑外形為135mm×135mm

鉗工：點孔

鉗工：鉆孔、攻絲

銑床：銑4扇形凹面

線切割：線切割加工外形至尺寸

1.2.2 工藝問題

上述工藝方案，零件在多道工序中流轉，銑床二次加工，多次的裝夾和定位找正，不僅浪費了大量的時間，而且零件的尺寸精度以及加工面粗糙度都較差，無法滿足大批量產品生產的質量要求和均衡穩定的生產，同時該工藝過程涉及多道工序和多臺加工機床，因而加工成本較高，效率不高。

1.3 原因查找與工藝分析

（1）該零件屬于批量生產的零件，因此加工成本和生產效率必須要考慮。

（2）零件的對稱度要求為0.1mm，這樣的要求不算高，但是實際加工出來的零件往往超出范圍。通過仔細分析后，得出該超差的主要原因有兩個方面：一方面是加工工序過多，累計誤差過大。另一方面是線切割的加工基準和前道工序基準不統一。因此按照上述原工藝方案加工的零件無法完全保證零件的精度要求。

2 數控工藝與編程技術解決方案

2.1 零件加工的總體解決方案確定

針對上述問題，我們再次認真分析了該零件的結構特點、尺寸和精度要求后，根據我單位的現有加工能力對該產品的加工工藝過程進行了大膽的優化。

首先通過研究分析重新確定了零件的毛胚尺寸，設計了一副工裝夾具，使零件在加工過程中鑲嵌在工裝中，不再受到相對的夾持力作用，減小了因裝夾產生的變形量。 同時只使用數控加工中心進行加工，一次性把零件加工成型，這樣就取消了鉗工和線切割兩個工序，達到了一次裝夾一次成型的目的。不僅大大提高加工效率，還避免了累積誤差造成的質量和精度差等問題。優化后的工藝過程大致如下：

①外形 130mm×130mm×2mm；②裝入夾具，點孔、鉆孔、攻絲；③銑4扇形凹面至尺寸；④銑外形輪廓至圖紙要求；⑤修棱邊去毛刺，送檢、入庫。

上述方案的總體思路是：該零件屬于比較典型的薄壁盤類零件，為了避免重復以前問題，要盡量做到工序集中，而使用數控加工中心就是這一體現。

2.2 裝夾方案的解決

2.2.1 裝夾方式

數控機床上零件的安裝方法與普通機床一樣，要合理選擇定位基準和夾緊方案，要求有以下兩點：（1）力求設計、工藝與編程計算的基準統一，這樣有利于編程時數值計算的簡便性和精確性。（2）盡量減少裝夾次數，盡可能在一次定位裝夾后，加工出全部待加工表面。

2.2.2 夾具的選擇

對夾具選擇的基本要求：（1）為保持零件安裝方位與機床坐標系及程編坐標系方向的一致性，夾具應能保證在機床上實現定向安裝，還要求能協調零件定位面與機床之間保持一定的坐標尺寸聯系。（2）為保持工件在本工序中所有加工要素一次完成，夾具要做得盡可能開敞，因此夾緊機構元件與加工面之間應保持一定的安全距離，同時要使夾緊機構的元件盡可能低，以防止夾具與銑床主軸套筒或刀套、刃具在加工過程中發生碰撞。（3）夾具的剛性與穩定性要好。盡量不采用在加工過程中更換夾緊點的設計，要特別注意不能破壞夾具或工件定位精度。

綜合以上基本要求，設計了如下的裝夾工裝（如圖2所示），將其安裝在工作臺的臺虎鉗內，通過夾具的四塊壓板夾緊工件。

3 加工型腔的數控加工程序總方案

該零件的數控加工程序是基于軟件MasterCAM生成的。該軟件無須畫出實體，只需按1：1正確畫出要加工的輪廓線，選擇適當的刀具路徑和參數即可生成用于加工的程序。

3.1 刀具及切削參數選擇

刀具的選擇根據零件材料，選擇整體硬質合金立銑刀，雙刃，大螺旋角，刃前空間大，耐磨，成本低。經過實踐發現該刀具非常適合鋁材的高速加工。對具體的參數選擇，主軸轉速：5000rpm，切削速度：300mm/min，并按需要在實際操作中加以調整，確保加工質量和精度要求。

該零件的加工主要分2步進行，分別為毛坯加工和外形及型腔加工，包括：點孔、鉆孔、攻絲、銑4扇形凹面至尺寸，銑外形等加工步驟。該零件的加工，數控程序的中心設在工裝左側頂點，安全高度在零件表面上方20mm處。

3.2 零件加工過程

3.2.1 毛坯加工

該加工工序主要是去除大余量，并為后工序精加工打好基礎。所以結合本單位設備的實際情況，選擇成本低的普通機床加工。通過該工序加工的坯料能夠裝入對應的工裝。

3.2.2 精加工

把零件鑲嵌在工裝內，由于零件屬于薄壁零件，容易變形，所以在夾緊工件時壓板應均勻分布，并且夾緊力大小應適當，以防破壞工件的定位或使工件產生變形。實際操作時采用力矩扳手緊固壓板螺釘，確保工件受力均勻一致。然后根據工藝順序一次性完成零件的全部加工。需要注意的是：（1）下刀方式：要采用螺旋下刀，可以改善進刀時的切削狀態，保持較高的進刀速度和較低的切削負荷。盡量減少劇烈變化，以免引起零件振動。要注意的是加工底面時，不能一次加工到尺寸，以免銑到側面時吃刀量增大，造成彈性變形。（2）零件的外形是最后完成的，而且不能像線切割那樣直接把零件從板材上切削下來，要預留下0.05 -0.07mm的余量，使零件與外框還有連接性，這樣就避免了產品在加工完成時，刀具與工件間產生不可預期的接觸，影響零件加工質量的震動，見圖3。

4 零件的自動編程

本加工零件的表面工步較多，包括點孔、鉆孔、沉孔、攻絲、銑加工，加工精度要求高，且各加工要素間有很多的相互位置精度要求，采用零件的自動編程是十分必要的。

首先，進行零件的二維造型，在零件造型時要注意：一是對有公差標注的尺寸需按尺寸中的值進行繪制；二是根據數控工藝的編制確定正確的原點位置，即加工的編程原點，為后續編程作準備。其次進行二維加工零件的刀具路徑確定，在零件有刀具路徑設定完成后，可對零件進行模擬加工，驗證刀具路徑的正確性。最后，再根據加工中心的數控系統選擇相應的后處理軟件，生成零件加工程序，通過分布式網絡數控系統DNC傳輸至相應的機床進行數控加工。

5 結語

按上述優化后加工工藝方法，結合多次上機加工實踐，已確認用優化后的工藝加工該種薄壁盤類零件，完全能夠達到圖紙所要求的尺寸精度和形位公差，而且在批量加工時質量穩定性較好，尺寸精度和形位公差的一致性也非常好，完全滿足型號產品的需要，而且大大提高了生產效率。