一種薄壁平衡塊的加工工藝分析

孔小會

（山東聯誠精密制造股份有限公司，濟寧 272100）

薄壁零件具有優良的特點，如質量輕、結構緊湊、節約材料和空間等，目前廣泛應用于機械行業及其他相關行業。但是，薄壁零件的剛性差、強度弱，導致加工難度大。例如，它在加工過程中極易變形，不易保證零件的加工精度和加工質量的穩定性。

薄壁平衡塊目前采用數控立式加工中心配合相應的液壓夾具，對刀具的幾何參數等工藝進行詳細的分析實驗，合理選擇加工方法，從而克服平衡塊在加工過程中出現的變形，保證加工精度。

1 工件結構特點

工件薄壁平衡塊的外形是一個扇形，材質為QT600，硬度187～255 HBW，內部是一個異形孔，最薄的地方只有4 mm厚。平衡塊的尺寸精度要求如圖1所示，中心孔B基準的直徑是Φ69.914～69.944 mm，公差只有0.03 mm。下面是一個異形毛坯孔。加工C基準孔和外圓時，間斷切削。此處壁厚只有4 mm，易產生切削應力變形影響B基準孔的公差尺寸，是工件加工的難點。

圖1 平衡塊結構圖

2 傳統工藝加工方案存在的問題

薄壁零件銑削加工過程中容易變形，主要是切削應力和裝夾造成的變形[1]。傳統加工方案用數控加工中心和數控車床加工，分為兩道工序加工。一是OP10工序。用Φ60 mm的盤銑刀粗精銑上平面到圖紙尺寸，用Φ20 mm的合金銑刀粗銑內孔Φ51.04～51.07 mm到Φ50.7 mm（留0.3～0.4 mm），用Φ20 mm的合金銑刀粗銑內孔Φ69.914～69.944 mm到Φ69.6 mm（留0.3～0.4 mm），用精鏜刀精鏜內孔Φ51.04～51.07 mm和Φ69.914～69.944 mm，鉆2×Φ18 mm兩處小孔。二是OP20工序。粗精車外圓“C”到圖紙技術要求。

平衡塊的加工難點B基準孔，在OP10工序就加工到了圖紙要求的尺寸。取下工件測量B基準孔直徑Φ69.914～69.944 mm橢圓度誤差在0.005～0.015 mm，尺寸符合圖紙要求。但是，在OP20加工完成后，取下工件測量B基準孔的直徑Φ69.914～69.944 mm橢圓度誤差在0.03～0.04 mm，可見直徑尺寸已經超出圖紙的要求[2]。

究其原因，可能是由于平衡塊外形是一個扇形，最薄壁厚只有4 mm，精度要求比較高的B基準孔先加工到位，在粗精車外圓時斷向切削，而斷向切削應力沒有釋放出來以及裝夾引起工件變形導致直徑Φ69.914～69.944 mm橢圓尺寸超出圖紙允許的公差。再次試加工幾件，在OP10工序加工完后，在工裝上測量B基準孔橢圓度誤差在0.01 mm之內；OP20工序加工完后，在工裝上測量B基準孔橢圓度誤差在0.02 mm之內，取下工件測量其橢圓度誤差達到了0.04 mm。從工裝方面考慮，工裝夾具采用的是手動工裝。工人裝夾工件時用力大小無法控制，裝夾時受力不均勻導致工件變形，使整個加工過程質量不穩定，導致薄壁平衡塊的報廢率較高。

3 解決辦法

3.1 優化加工工藝

針對存在的問題，改進加工工藝。加工設備改為數控加工中心。一是OP10工序，用Φ60 mm的盤銑刀粗精銑上平面到圖紙尺寸，鉆2×Φ18 mm兩處小孔。二是OP20工序，用Φ20 mm的合金銑刀粗銑內孔Φ51.04～51.07 mm到Φ50.85 mm（留精鏜加工余量0.2 mm）[3]，用Φ20 mm的合金銑刀粗銑內孔Φ69.914～69.944 mm到Φ69.73 mm（留精鏜加工余量0.2 mm）[3]，用Φ20 mm的合金銑刀粗銑、半精銑、精銑扇形外圓“C”，最后用精鏜刀精鏜內孔Φ51.04～51.07 mm和Φ69.914～69.944 mm。

3.2 改進工裝

夾緊裝置的設計是否正確，對保證工件的加工精度、提高勞動生產率和減輕工人勞動強度等都有直接影響[3]。由于薄壁零件自身的特點，裝夾力度過大或受力不均勻會導致工件產生彈性變形影響零件的尺寸和形位公差的精度，最終導致加工的零件尺寸超差。為了解決這個問題，設計液壓工裝時要謹慎選擇壓緊缸和支撐缸的型號與大小。

3.2.1 液壓工裝設計

先用軟件NOVEX估算徑向切削力、軸向切削力和主切削力，如圖2所示[3]。

圖2 軟件NOVEX估計算出徑向切削力和摩擦系數圖

估算過程中，采用的相關公式為：

式中：安全系數可選擇2～3，這里選擇2；摩擦系數為0.1。

通過計算OP10工序所需總壓緊力為232 N，采用2個液壓缸和3個浮動支撐缸。查閱臺灣嘉剛手冊，選擇杠桿液壓缸型號CHLC-25，浮動支撐缸型號CSP36，油壓設為30 kg·cm-2。OP20工序所需總壓緊力216 N，采用2個液壓缸和1個浮動支撐缸。查閱臺灣嘉剛手冊，選擇杠桿液壓缸型號CHLC-25，浮動支撐缸型號CSP45，油壓設為30 kg·cm-2。設計的液壓夾具如圖3所示。

圖3 液壓夾具結構圖

3.2.2 液壓工裝的工作過程

OP10工序把工件安裝在毛坯定位面上，先用手動帶緊中間的開口壓板，防止浮動支撐缸頂起時工件脫離定位。OP20工序把OP10加工完的半成品安裝在這個工位，用一面兩銷定位[4]。啟動機床上液壓工裝夾緊按鈕，油路通過順序閥先啟動支撐缸。支撐缸上端接觸工件后，給壓緊液壓缸送油壓板壓緊工件，關閉機床門。啟動機床程序按鈕，機床開始加工工件。

4 傳統工藝和新工藝對比

優化工藝后，薄壁平衡塊的加工狀況發生了顯著變化，主要體現在如下方面。

（1）工藝改進后，數控加工中心生產的薄壁平衡塊的質量提升明顯。從產品加工的合格率看，在改進工藝和工裝裝夾方式后，數控加工中心加工的產品合格率達到了99%以上，質量穩定。

（2）由傳統的手動工裝改為液壓工裝，有效減少了因工人裝夾力度不一致引起的工件變形，提升了質量，也明顯降低了工人的勞動強度。

（3）設備由一臺數控立式四軸加工中心和一臺數控車床改為一臺普通數控立式加工中心。原工藝加工的內容主要在OP10四軸加工中心上，工序較慢，OP20車床較快，生產節拍不匹配。改進后優化工藝，OP10和OP20加工時間差縮小，且設計的液壓工裝在一套工裝上，既匹配了生產節拍，又節省了一臺四軸加工中心和一臺數控車床[5]。

5 結語

通過分析薄壁平衡塊加工工藝，找到了薄壁平衡塊質量不穩定的原因并進行了改進。薄壁零件銑削加工時，提前對工件工藝優化分析是關鍵。薄壁零件在加工時由于震動、夾緊力、切削熱、內應力等對變形的影響，使得工件在加工過程中極易發生形狀變化，導致零件的精度超差或不穩定。為了控制薄壁零件加工過程中的變形，必須盡量降低切削力、熱應力和工件裝夾引起的變形。