基于UG的表殼零件加工工藝分析及編程加工

石平義，趙戰峰，鄺子奇，朱派龍

（廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州 510300）

0 引言

生活水平的提高，人們對手表的功能有更多要求外，對外觀設計[1]、 佩帶舒適、安全等也有更高的要求。表殼屬于薄壁零件，該類零件具有質量輕、材料少、結構緊湊等特點，但在加工中零件的剛性差、強度弱、極易變形[2]，這給表殼零件的加工帶來了更高的質量要求和加工難度。因此，設計出合理、美觀、舒適的外觀之后，對手表零件設計出合適的加工工藝和程序顯得尤為重要。筆者以表殼零件為例，重點圍繞該零件的夾具設計及五軸編程問題進行研究，重點介紹表殼零件的夾具設計與分析和加工程序問題，為相關類似零件的加工帶來一些借鑒意義。

1 表殼零件的加工工藝分析與制定

合理地設計和安排工序對零件的加工及成品質量有著至關重要的影響。有效合理的工序不僅在保證零件質量的基礎上所用時間最短，更是突破零件加工難點的關鍵所在[3]。本研究的表殼零件的設計圖如圖1所示（單位：mm ×100）。

圖1 表殼零件設計圖

1.1 表殼零件的加工工藝分析

從零件圖紙及要求可以看出，該表殼零件的結構特點如下：

（1）該零件圖紙要求加工精度高、存在易變形、剛性差等加工難題。

（2）零件外形結構復雜：薄壁易變形、通孔多、內部上下面均存在多內孔且同軸度要求較高，需設計專用夾具以防止多次裝夾帶來的裝夾誤差及定位誤差。

（3）零件尺寸不大，但外形狀較為復雜，需要用五軸機床進行五軸加工，由于零件有內圓，如果先銑削再車內孔，車削時夾持比較麻煩，但如果先車內孔，再銑削形狀，夾持方法和夾具設計將會簡易很多。通過以上初步分析，表殼零件整體采用先車后銑的加工方法。車削時由于內孔孔徑兩頭大，中間小，所以車削時需要用到內槽刀。為了減少車削加工時間，車削內孔時應在毛坯上直接鉆出差不多大的內孔，然后進行內孔的精車。銑削時，因為表殼上安裝表帶的地方有倒勾似的形狀，考慮到機床的轉軸限位，加工時應讓表殼背面向上，這樣就不會受到轉軸的角度限制。

（4）零件9H方向的圓形凹槽增加了該零件的加工難度，因此考慮采取銑削加工方法，該圓形凹槽結構周邊的避空位置給銑削加工留出了空間，用合適大小銑刀、銑削刀路及參數可以加工出凹槽結構和其側面的通孔。

1.2 表殼零件的整體加工工藝分析

該零件實際材料為不銹鋼SS316L，為了驗證工藝，選擇鋁材實驗，選擇毛坯尺寸為±39×7（mm），該零件要求加工后未標注尺寸公差控制在±0.05mm以內，耳底不能刮手且要打磨光整無毛刺，初步制定該零件的車削加工工藝流程如圖2所示。

圖2 零件車削加工工藝流程圖

零件車削完成之后，需要進行銑削加工，銑削過程的數控加工工藝流程按粗加工、半精加工、精加工順序進行編排。粗加工利用直徑較大的立銑刀快速去除余量加工出零件大致形狀，半精加工使用較小球頭刀具去除剩余余量，剩余適當余量在精加工階段完成去除。零件的加工需要經過車、銑、鉆、倒角等多道工序，兼顧加工效率與質量，盡可能減少刀具的更換、拆卸。

1.3 表殼零件加工工藝安排

按照“先面后孔，先粗后精，先主后次，基面先行”的原則，安排零件加工的工藝過程[4]。最終制定的機械加工工序卡如下：

工序1：對毛坯進行車削加工，加工出端面、內孔、內臺階等結構。

工序2：采用五軸機床對工件進行粗精加工，加工出零件大部分特征。

工序3：在五軸機床上對剩余特征進行加工，主要是銑削表耳側面的Φ1的通孔以及鉆削側面凹槽內Φ1.7的孔。

2 夾具設計

根據零件設計圖與工序安排，考慮棒料的規格及型號，初步選用±40mm的毛坯棒料，利用車床車削外圓并切斷最終得到直徑為±38、厚度7mm的圓形毛坯。由于該毛坯較薄，在車內孔加工過程，必須設計專用車削夾具，在銑削外形時，須設計專用銑削夾具。夾具設計要保證零件夾緊后保證不變形或盡量小變形、 要保證定位精度、便于裝卸等要求[4]。現分別對涉及的夾具進行設計與分析。

2.1 毛坯車削加工夾具結構設計及分析

根據零件圖紙分析可知，圓柱毛坯具有薄而小的特點，采取“底座+螺栓+壓蓋”的壓夾方式來夾持毛坯。該裝夾方式只保留了毛坯件一個轉動的自由度且圓形底座有利于整個夾具在車床卡盤上的裝夾與拆卸。其中底座的設計圖如圖3（a）所示，壓蓋設計圖如圖3（b）所示。為了保證零件裝夾過程的完全定位和定位精度，該夾具利用一個零件在車床上加工出外形和內孔，再放上銑床銑削壓蓋螺栓以及鉆孔即可加工出來。該夾具利用底座的軸線作為圓心定位基準，有效減少同軸度誤差以及裝夾誤差。

圖3 毛坯車削加工夾具圖

2.2 毛坯銑削加工夾具結構設計

圖4所示的夾具的設計主要是保證零件銑削加工時的裝夾與定位。該夾具采用“底座+螺栓+壓蓋”的方式進行銑削件的裝夾定位，其中，銑削夾具底座1的結構設計如圖4（a）和銑削夾具底座2的結構設計如4（b）所示。該夾具底座1通過螺栓連接固定在夾具底座1上，夾具底座1通過氣動吸嘴安裝壓緊在數控機床圓盤底座上，這2個夾具再配合1個壓蓋零件鎖緊毛坯，從而完成零件的裝夾、定位要求。該夾具具有易拆卸、定位精度高、可重復利用等特點。零件在五軸加工中心的裝夾效果如圖5所示。

圖4 毛坯銑削夾具

圖5 零件在五軸加工中心上裝夾圖

3 零件數控編程及分析

該零件加工成功的關鍵在于五軸數控銑削編程部分。

3.1 數控程序設計

通常將零件的MCS原點設置在零件的上表面，而結合本零件的裝夾特點，為了避免夾具壓蓋和螺母產生的加工干涉及定位誤差，本文將工件的坐標系原點設置在部件底面中心，有利于減少定位誤差和加工干涉，提高了加工效率。根據加工工藝安排，依次創建如下加工刀路：粗加工工序（采取型腔銑），清理表耳下殘料的工序，半精加工前后側面工序，半精加工表耳底部面工序，半精加工左右側面工序，精加工工序，加工柄頭平面工序。各工序的刀路如圖6所示。

圖6 各工序刀路圖

最終編制的所有加工程序如圖7（a）所示，利用UG軟件自帶的加工仿真模塊進行刀路生產并仿真查看、驗證刀路，軟件中仿真加工效果如圖7（b）所示。

3.2 實驗加工驗證

仿真之后，利用數控加工工藝優化方法，不斷對加工工序、走刀路線以及切削量進行優化設定，確定最終的刀路及工序，有效規避因刀具持續消耗所產生的破損問題，進一步降低實際加工成本，提高加工經濟效益[5]。導入五軸數控機床進行加工驗證，加工出的零件如圖7（c）所示。使用三坐標儀對工件關鍵尺寸進行測量，部分尺寸測量結果見表1，由表1可知加工后的尺寸基本符合加工要求。

圖7 程序和結果

4 結束語

對表殼零件的特征分析后，制定了合理的數控加工工藝和設計出合適的專用夾具，提高了工作效率。使用車床、五軸加工機床加工出該零件，并通過UG編程及優化確定了數控刀路程序，提升加工效率的同時保證了零件的精度。由此可見，合理選擇數控機床、合適的夾具和優化的數控程序是保證加工質量和提高效率的有效措施，為其他同類產品的加工提供了經驗和借鑒。