嵌套加工法實現顯示器面板余料的高效利用

袁保寧

江蘇自動化研究所 江蘇連云港 222000

1 序言

某型號面板設計有一個用于安裝20寸顯示器的方孔（見圖1），其尺寸為408mm×306mm，零件材料為鋁合金，毛坯下料厚度為20mm。為保證加工質量和效率，原有的數控銑削加工工藝會對該區(qū)域的材料形成破壞性加工，因此加工方孔產生的余料無法得到有效利用，通常作為廢料與切屑一起處理，造成一定程度的材料浪費。隨著該類零件投產量的不斷增加，加工余料的有效利用問題就顯得愈發(fā)突出。

圖1 面板方孔

2 嵌套加工法實施過程

為解決顯示器面板加工余料的利用問題，在確保顯示器面板質量和原有加工效率的前提下，亟需重新設計加工工藝。首先保證其加工余料的最大完整性，在此基礎上選擇合適零件作為余料加工的子零件，采用嵌套加工法同步完成多零件實時加工，以實現顯示器面板余料的最大化高效利用[1-3]。

2.1 優(yōu)化加工方案

經分析，對原有加工程序的刀具及其相關加工工藝路線進行了改進、優(yōu)化，甚至對部分刀具的加工進行了重新設定。為合理規(guī)劃進給路線，人工繪制相關輔助線作為刀具加工路徑，避免了自動編程生成切削加工路徑的不可控性和不合理性。刀具按照規(guī)劃好的最優(yōu)加工路線進行加工，既保證余料的最大完整性，又進一步提高了加工效率。

零件改進加工工藝、實施優(yōu)化加工方案后的效果模擬如圖2所示，經過理論模擬，確定余料尺寸為386mm×284mm，可以滿足毛坯下料厚度在20mm以內的零件加工。

圖2 工藝改進實施效果模擬

2.2 確定嵌套加工子零件

在確定余料可利用尺寸的基礎上，對嵌套加工子零件的類型進行了大量調研。綜合考量母體零件的材料牌號、熱處理工藝要求、年加工數量、尺寸匹配性和加工工藝的可操作性等方面，最終確定將該產品配套蓋板類零件（示例見圖3）作為顯示器面板嵌套加工對象。理由如下。

圖3 某型號蓋板零件

1）兩者材料牌號相同，均為鋁合金2A12H112。

2）前期熱處理工藝要求相同，均為去應力（加熱溫度380℃，保溫2h，隨爐冷卻）。

3）蓋板種類較多、結構相似，年加工整體數量能夠滿足顯示器面板對子零件加工數量的要求。

4）蓋板尺寸匹配性優(yōu)異，其毛坯下料厚度與顯示器面板一致，長度尺寸一般為233.3mm，寬度尺寸在155.2～135mm。經過測算，在保證顯示器面板加工工藝不變的基礎上，余料尺寸在去掉刀具加工占用量后，理論上可以同時滿足兩件蓋板的加工用料，在對余料進行充分利用的同時使嵌套加工的效果最大化。

5）整體加工工藝的可操作性強，兩類零件的核心加工工藝不受嵌套加工影響，方便形成統(tǒng)一架構的嵌套加工方案。

2.3 子零件在余料區(qū)域的分布位置

根據余料尺寸、各類蓋板外形尺寸，以及母、子零件同步加工的工藝需求，對蓋板在顯示器面板中的位置分配進行了合理安排，確保嵌套加工的順利實施。嵌套零件位置分布如圖4所示，黑色為顯示器面板反面視圖；紅色實線內區(qū)域為方孔加工余料；綠色實線區(qū)域放置插件蓋板，其中黑色十字線為子零件放置中心位置點；紅色虛線為子零件與母體材料的分離界線。

圖4 嵌套零件位置分布

2.4 創(chuàng)建嵌套加工方案

在裝夾方式上將組合零件視為一體化；實際加工中既考慮零件共性，又突出其各自獨立性，方便嵌套對象蓋板子零件的調整替換。總的工藝方案分為3個工步：①選用3套精密組合虎鉗（鉗口寬150mm、夾持范圍400mm），夾持完成組合體母、子零件正面的共享加工。②組合零件翻面，通過虎鉗夾持和螺栓固定的復合式固定方案完成子零件的獨立加工以及與母零件材料的分離工作。③增加固定壓板完成顯示器面板加工。

利用該工藝方案，我們調用投產的相關零件（見表1）進行了測試加工，具體說明如下。

表1 嵌套加工零件明細

（1）工步1：組合零件正面加工 根據子零件在余料區(qū)域的分布位置及兩類零件原有加工工藝，決定先進行組合零件的正面加工。圖5所示為零件整體放置及加工效果，其中綠、青、灰分別代表3種零件，紅色區(qū)域為母、子零件間隔區(qū)。

圖5 整體放置及加工效果

首先完成母零件加工。加工上表面時，將φ80mm的面銑刀由原來的縱向切削調整為橫向切削，在實現母、子零件共面加工的同時，確保插件蓋板上表面的優(yōu)異質量。

其次完成子零件加工。程序編制方面，取消原有的上表面及外形加工，針對實際情況重新設定下刀點及相應切削參數。在不改變程序原有架構的基礎上，對于同一種子零件，利用編程軟件中的路徑轉換功能，實現兩個子零件的同一刀具共享加工，減少換刀次數，有效提高加工效率。

裝夾方面，為配合蓋板的放置及保證后續(xù)有效固定加工，在Y向設計加工了兩個間距80mm、直徑14mm的工藝通孔（見圖4）。翻面加工時配合虎鉗夾持，利用該工藝孔，使用六角螺栓直接壓緊固定，有效限制零件組合體的相關自由度。既滿足子零件的放置要求，確保其安全有效分離加工，又不影響母零件原有的整體加工效果。

（2）工步2：子零件反面加工 組合體母、子零件反面裝夾，加工效果如圖6所示。圖6中綠、青、灰分別代表3種零件，紅色區(qū)域為母、子零件與加工余料分離區(qū)。

圖6 反面裝夾、加工效果

裝夾方面，利用3套精密組合虎鉗及兩個M12螺栓實現對整體零件的有效夾緊固定，特別是提高了子零件的加工強度，為其最后的分離加工提供可靠保障。

加工工藝方面，首先完成母、子零件的厚度加工。根據零件的不同厚度，規(guī)劃相應進給路徑，使用φ80mm的面銑刀進行共享刀具加工，有效提高零件表面加工效率。與此同時，實現厚度加工程序的標準化、模塊化，根據子零件的不同厚度，只需對1、2號蓋板的加工厚度值作對應調整，就可以利用相同架構的刀具路徑快速方便地生成加工程序。

其次完成兩件子零件的內腔各臺階面、底面及螺孔的加工。生成加工程序后，原有加工思路不變，針對實際情況對下刀點及相應切削參數進行重新設定。由于整體零件夾緊固定良好，因此切削平穩(wěn)順暢，經后續(xù)檢測，加工質量優(yōu)異。

最后完成子零件與母體材料的分離加工。在確保質量的前提下，通過子零件外形加工，使其與母體材料安全、順利分離，是此次加工的最大難點，也是決定嵌套加工法能否成功的關鍵步驟。面對這一全新的加工工藝，結合原有的相關加工經驗，從刀具選用、切削方式、切削參數、加工路徑安排以及粗、精加工余量分配等諸多方面考慮，經過不斷摸索調試，最終形成了一套行之有效的分離加工工藝，具體如下。

①選用φ10mm波型刃銑刀加工零件外形的4條邊，按照一定先后順序、分不同深度以斜插方式每刀0.5mm的切削用量完成粗加工，具體切削參數為：S=5000r/min、F=1200mm/min、側面余量0.15mm、底面余量0.5mm。加工時刀具切削平穩(wěn)順暢，零件沒有出現顫動情況。②使用φ5mm大螺旋角硬質合金精銑刀，按照與粗加工相同的加工路線分半精加工、精加工完成插件蓋板外形銑削，同時順利實現了子零件與母體材料的分離加工。半精加工切削參數為：S=5000r/min、F=1200mm/min、側面余量0.05mm、底面余量0.3mm；精加工切削參數為：S=5000r/min、F=1200mm/min、底面余量

0.08mm。

子零件蓋板嵌套加工完成后的實物如圖7所示。此時子零件與母體材料連接區(qū)域的尺寸為寬度5mm、連接厚度0.08mm，而一張A4紙的標準厚度為0.1mm，因此使用裁紙刀就可以很方便快捷地完成子零件的實際分離工作，如圖8所示。

圖7 子零件蓋板嵌套加工完成實物

圖8 子零件分離

以此為基礎，在后續(xù)生產中，將各類蓋板的加工程序制作成獨立的模塊進行固化管理，加工時根據工藝卡的要求進行對應子零件的調用，即可快速方便地完成各類組合零件的嵌套加工。

（3）工步3：母零件反面加工 子零件取出后，利用余料的“吅”型結構，沿長邊追加兩個輔助固定壓板，根據實際情況按照優(yōu)化后的加工程序高效順利地完成顯示器面板型腔的加工，最后進行通孔銑削，實現與余料的有效分離。經檢測，零件質量優(yōu)異，完全達到圖樣要求。嵌套加工同步完成的3個零件如圖9所示。

圖9 嵌套加工同步完成的3個零件

在后續(xù)生產中，我們對加工工藝進行了再次優(yōu)化，將工步2、工步3合并，取消子零件取出及追加輔助固定壓板的步驟，一次裝夾可完成組合零件反面的全部加工內容，生產效率進一步提高。

3 推廣應用

在前期顯示器面板的嵌套加工獲得成功的基礎上，針對另一生產數量較大的觸摸屏面板類零件進行了嵌套加工試驗。經過調研，確定選用投產數量與觸摸屏面板具有對應關系的配套后蓋作為嵌套加工子零件。

針對該組合零件的結構特點、余料尺寸以及零件加工工藝需求，最終確定兩者按中心對稱分布，虎鉗夾持，分正、反面兩個工步同步完成。

編程方面，由于整體剛性良好，將兩個零件視為一體加工，母、子零件圖樣分正、反面分別對應合并，并重新統(tǒng)一編制相關加工程序。由于運用了零件一體化加工，部分刀具實現共享切削，所以組合零件整體綜合加工效率明顯優(yōu)于各自獨立加工。正反面嵌套加工模擬如圖10所示，其中綠色、青色分別代表兩類零件，紅色區(qū)域為子零件與母體材料分離區(qū)，嵌套加工同步完成的兩個零件如圖11所示。

圖10 觸摸屏面板嵌套加工模擬

圖11 嵌套加工同步完成的兩個零件

4 結束語

嵌套加工法實現了在一塊板材上完成多種零件的同步加工。此工藝方法解決了加工顯示器面板的余料浪費問題，使原來加工母零件產生的廢料得到高效利用。

另外，對產生的余料進行實時同步加工，完成了最多3種零件的同步優(yōu)質高效加工，節(jié)約了相關的費用，同時子零件的生產周期也縮短了40%。由于減少了子零件數銑工序的裝夾、調整時間，采用了刀具共享加工工藝，因此縮短了機床的待機和非切削時間，有效提高了設備使用效率。