異形波導蓋板的加工方案及改進

陳天進

貴州航天南海科技有限責任公司 貴州遵義 563000

1 序言

異形薄板類零件一直是機械加工行業的一大難題，其主要的難點就在于零件不規則，厚度比較薄。在機械加工的過程中需要通過設計制作專用工裝和專用刀具才能保證其加工精度。異形蓋板的加工是通過設計制作楔形側夾夾具來加工基準面，然后，加工方式采用動態銑削，以減少產生的切削熱。精鏜孔時，采用自制的鏜孔專用工裝和鏜刀擴大器，來保證產品的加工精度。

2 零件整體分析

某型號產品異形蓋板是航天領域產品中的重要構件，材質為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti），此種材質的塑性比較好，硬度較高，切削性能較差，加工的過程中很容易產生變形。

該零件屬于異形零件，產品跨度大（354.4mm×305.1mm），厚度只有3mm，屬于薄板類零件的典型，零件中空，與4塊筋板連接的部位不到1mm，如圖1所示。

圖1 異形波導蓋板實體

如圖2所示，該產品的跨度比較大，尺寸精度要求比較高。其中中心沉孔φ92.6mm的公差為0.02mm，平面度要求0.05mm，線性尺寸公差要求0.05mm，位置尺寸公差要求0.08mm。未注尺寸公差為GB/T 1004-F級，屬于精密級公差要求。

圖2 異形波導蓋板加工要求

由于該零件是不規則的零件，厚度較薄，故在加工過程中如何防止產品變形、選擇合理的中間精密孔加工方法和如何防止尺寸超差是該零件加工的關鍵。具體如下：

1）如何保證零件基準面加工的平面度。

2）如何減小零件在加工中的變形程度，并保證其幾何公差達到圖樣要求。

3）如何保證零件在不變形或者自然狀態下，選擇合理的加工方式來加工中間沉孔，并保證其加工精度。

3 零件加工設備的選擇

該零件的加工設備選擇精密立式三軸加工中心（見圖3），機床型號為V20i，該設備的機床參數如下。

圖3 精密立式三軸加工中心

1）加工軸數：3軸。

2）加工行程：500mm×400mm×450mm。

3）刀庫存儲容量：20把。

4）主軸定位精度：0.015mm。

5）主軸圓跳動：0.005mm。

6）重復定位精度：0.0035mm。

7）工作臺平面度：0.01mm。

根據產品的外形尺寸大小和精度要求，該設備可以滿足零件的加工精度要求，故選擇此機床加工。

根據對零件的分析，該產品材質為不銹鋼，所以其加工刀具選用不銹鋼專用涂層刀具，刀具分為粗、精加工，孔加工的刀具選用精密鏜刀。

選用50～100mm的內徑千分尺和塞規配合使用檢測中間沉孔，用三坐標測量儀檢測其位置尺寸精度和角度，用精密帶表卡尺檢測其線性尺寸。

4 傳統加工方法及存在的問題

4.1 零件傳統的加工方法

該零件傳統的加工工藝路線為：激光切割下料→鉗→加工中心加工→鉗。傳統的加工方法是先用壓板壓持四周，銑中間基準面，然后換壓板銑周邊基準面與中間接平；然后翻面壓持采取挖槽和外形銑削的方式加工厚度和外形；再采用外形銑削的方式加工中間孔；最后轉入鉗工進行去銑加工毛刺和清洗包裝入庫。

4.2 傳統加工方法存在的問題

該零件采用傳統加工方法的問題主要表現在以下幾點。

1）零件基準面平面度較差且存在接刀痕。

2）零件加工完以后產品變形比較大（變形在0.3～0.6mm），導致了關鍵尺寸超差。

3）零件中間沉孔尺寸超差且圓度較差。

4.3 原因分析

由于零件毛坯本身平面度比較差且不規則，激光切割以后，校平比較困難，壓板分兩次壓持加工基準面，松開壓板以后零件發生了反彈，從而使其平面度低，存在接刀痕。翻面將零件強制壓持在工作臺上加工，采取挖槽的方式對零件進行精加工，加工時用刀具整個底刃去切削零件，接觸面積較大，刀具受力比較大，加工過程中產生了大量的切削熱，從而導致了產品變形嚴重。

給與大劑量LPS刺激后，WB結果顯示，與NS組相比，WTLPS組小鼠Kupffer細胞的組織蛋白酶B蛋白表達水平均無明顯變化，而NLRP3蛋白表達水平則明顯增加（P＜0.05），caspase-1蛋白表達水平明顯增加（P＜0.05，圖3）。表明大劑量LPS刺激導致WT小鼠的NLRP3炎癥小體明顯激活。與TLR4-/-NS組相比，TLR4-/-LPS組小鼠肝臟組織蛋白酶B蛋白水平無明顯變化，caspase-1蛋白激活水平增加（P＜0.05），NLRP3蛋白表達稍增加但無明顯統計學意義（圖3）。表明TLR4缺失后NLRP3炎癥小體的激活不明顯。

采用外形銑削的方式加工，屬于聯動銑削，由于設備自身聯動存在一定的間隙，所以，中間沉孔的公差難以保證。

5 改進后加工方案的確定

5.1 零件加工工藝分析

改進后的零件加工工藝路線為：激光切割下料→鉗→加工中心1加工→鉗→加工中心2加工→鉗。首先由激光切割按照圖樣要求下料，單邊留5mm的裝夾余量；其次由鉗工將零件毛坯校平到0.3mm以內；然后，加工中心按照圖樣要求進行加工，中間沉孔進行半精加工，沉孔φ92.6mm留精加工余量0.2mm；下一步轉由鉗工校平至0.1mm以內；再由加工中心自制鏜孔工裝，采取鏜削的方式對其進行精加工；最后轉入鉗工進行去銑加工毛刺和清洗包裝入庫。

5.2 零件基準面工裝夾具的研制及基準面的加工

加工該產品的關鍵就是基準面的加工，如何保證基準面加工的平面度。經過認真分析該零件的特性，研究討論采用自制楔形側夾工裝對零件進行裝夾，如圖4所示。該工裝利用了楔形力矩傳遞的原理，將上下受力轉換成左右受力，這樣就可以實現讓零件處于自然狀態下加工基準面。

圖4 采用楔形工裝加工基準面

該工裝主要由3個定位座、4個楔形活動塊、4個楔形壓板和4個固定座等組成。通過鎖緊螺釘來控制零件受力的大小。

零件基準面的加工不能一次性到位，需要多次翻面進行銑面，以消除其加工產生的內應力，直到保證其平面度達到0.1mm以內為止。

5.3 零件的裝夾方式及切削方式

零件的裝夾方式為先在產品的中心孔處鉆一個螺釘孔，用M12的螺釘將產品鎖緊，產品外形周邊壓持壓板固定，如圖5所示。

圖5 改進后的零件裝夾效果

然后，采用高速動態銑削的方式粗加工產品外形。采用高轉速、快進給的高速動態銑削模式對零件進行銑削，以刀具側刃圓弧點去接觸工件。刀具和零件的接觸面積和接觸時間大大地減少，刀具受力也相應的降低，從而減小了零件在加工過程中產生的熱變形和由于加工應力釋放不均導致的變形程度。

5.4 中間沉孔的精加工方案

由于中心沉孔φ92.6mm精度要求比較高，孔的公差只有0.02mm，所以在工藝路線中增加了一道半精加工，待零件校平以后，以自然狀態的方式來進行精加工。孔的精加工采用鏜削加工方式，如何讓零件在自然狀態下進行精鏜孔呢？經過反復的討論和試制，最后決定利用自定心卡盤來改裝鏜孔的專用夾具。最后，采用自制的鏜刀擴大器來精鏜孔，以保證孔的尺寸精度。

5.5 中間沉孔精加工的工裝研制及裝夾方式

如圖6所示，專用夾具是利用自定心卡盤的工作原理，在其基礎上加裝3塊墊塊，將墊塊用AB膠粘在卡盤上面；再在墊塊上面加工φ85mm外圓凸臺，深1.6mm，使之與零件中心孔（φ85mm孔）實現過渡配合。3個墊塊在這里可以起到防振和固定的作用；最后，利用卡盤的反爪夾緊零件，如圖7所示。

圖6 自定心卡盤改裝鏜孔的專用夾具

圖7 鏜孔的專用夾具裝夾

5.6 中間沉孔的精鏜刀研制及孔的加工

由于中間沉孔φ92.6mm的孔徑較大，用普通的鏜刀無法加工這種大孔徑的孔。如果購買大孔徑的鏜刀，成本較高且會耽誤零件的生產周期。經過討論決定，由我們自己設計研制一個鏜刀擴大器。所謂鏜刀擴大器就是在普通小孔徑鏜刀的基礎上加裝一個孔徑擴大裝置，如圖8所示。該裝置通過自行設計研發，即將原有的鏜刀鏜孔范圍加大。從圖8可以看出，鏜刀擴大器的銷軸部分是與鏜刀主體聯接的，其配合方式采取過渡配合，下面部分孔聯接鏜刀刀桿，其配合方式為過盈配合。

圖8 鏜刀擴大器裝配效果

鏜刀擴大器的加工材質選用45鋼，其上部分小軸和下部分內孔采用磨削加工，最后進行調質處理，以增加其硬度和耐磨性。

將鏜刀擴大器聯接完畢后，進行試切加工，如圖9所示，證明自行設計研發的鏜刀擴大器是可行的。

圖9 鏜刀擴大器試加工效果

需要注意的是：孔與4塊板筋聯接處比較薄，故孔的加工不能一次性加工到位，必須分層進行精鏜，采用多次鏜削的方式進行精加工，直到保證孔精度為止。

6 改進后零件加工方案的驗證

零件第一道加工中心工序加工完以后，經過平板檢測，產品的變形量在0.2～0.3mm之間；然后轉入鉗工去毛刺，校平在0.1mm以內；最后經過精鏜孔，保證了產品的加工精度，經過檢測，產品的加工合格率為100%，如圖10所示。

圖10 零件加工檢測結果

7 結束語

通過對此次零件的試制加工方案的研究，大大地提高了自己的加工技能水平和加工異形零件的能力，總結了一定的加工經驗。針對此類零件，采取輔助工裝和輔助裝置進行加工，可以滿足圖樣要求，加工質量得到了有效提升，如圖11所示，也為今后加工類似零件奠定了一定的基礎。

圖11 零件加工成品