大型薄板零件加工變形控制工藝

劉緒弟，張桂珍，張永紅

1. 中國電子科技集團公司第二十九研究所 四川成都 611731

2. 成都四威高科技產業園有限公司 四川成都 611731

1 序言

當前大型電子設備中，越來越多地采用了盲插形式的安裝機架，其中涉及的大型薄板零件結構也越來越多。大型薄板零件具有整體性好、結構緊湊和質量輕等優點，但是由于其剛性差、強度弱，加工過程受到加工應力、裝夾條件及刀具運動軌跡等影響，極易變形，所以難以滿足設計精度要求，后續應用時，會影響其裝配精度，從而影響到盲插連接器的盲插精度和電性能。

為了滿足模塊盲插裝配設計要求，必須控制安裝機架中大型薄板零件的加工變形。大型薄板零件的加工精度主要通過機械加工來保證[1]。通過開展大型薄板件加工變形控制工藝研究，找到合理的工藝流程及方法，可提高大型薄板零件的加工精度，從而滿足設計要求。

2 設計精度要求

圖1為某典型的機架安裝板零件，采用平板開放式的結構形式，材料為2A12硬鋁，外形尺寸為744mm×174mm×11mm，大面積的壁厚集中在4mm，零件大面的平面度要求為0.3mm。該零件為典型的大型薄板零件，具有尺寸大、薄壁部位多、材料去除率高及精度要求高的特點，采用常規的加工工藝，大面平面度僅能達到0.8～1mm，無法滿足要求。

圖1 某典型的機架安裝板零件

3 加工變形關鍵影響因素分析

影響大型薄板零件加工變形的因素較多，主要包括加工應力、裝夾方式及刀具運動軌跡等。在對加工變形規律認識尚不十分明確的情況下，需對各因素進行分析，并針對各因素制定專門的優化驗證方案。

3.1 加工應力的影響

當零件在沒有任何外力作用而內部存在應力時，內應力是相互平衡的。在零件進行切削冷加工的過程中，切削力和切削熱產生作用，工件表面硬化，并在表面層的金屬中呈現內應力，應力層切除后，應力重新分布，會使此類薄壁零件產生扭曲變形[2]。此類零件常規的去應力工藝方法為低溫熱處理去應力，該工藝方法用時較長，同時會造成零件強度下降，不利于加工變形控制。

3.2 裝夾方式的影響

在機械加工中，工件在開始加工前，為使工件不在切削力的作用下發生位移，需采取正確的壓緊夾牢措施。在裝夾過程會產生一定的裝夾力，由于是外界施加的應力，在加工過程中無法充分釋放，因此在撤去壓緊裝置時，可能會造成工件回彈變形。此類大型薄板零件常規的裝夾方式為壓板裝夾，此種方式為多點分布式夾持，工件主要受軸向壓緊力及部分水平徑向力的作用[3]。由于作用點分散及變化，因此很難保證工件均勻受力，不利于加工變形控制。

3.3 刀具運動軌跡的影響

刀具運動軌跡（又稱走刀路線或進給路線），是指加工過程中刀位點相對于工件的運動軌跡和方向[4]。為減小加工變形，在規劃刀具路徑時，應盡可能應用零件的未加工部分作為正在銑削部分的支撐，使切削過程處在剛性較佳的狀態。此類零件常規采用從左至右的刀具運動軌跡進行加工，在最后部分加工時，零件未加工部分形成單側支撐，不利于加工變形控制。

4 整體解決方案

依據以往的加工經驗，為減小工件變形，設置適當的加工余量，采用“少量多次”的原則，分層粗、精加工，并在材料去除較多的工序后增加去應力工序，詳細的工藝流程為：備料→粗刨→去應力→數控銑削粗加工→去應力→數控銑削精加工→精刨→鉗加工→表面處理。

針對影響加工變形的關鍵因素，在具體的工藝方法選擇方面，設計不同工藝類比試驗方案，通過試驗數據分析，優選出適用于該類大型薄板零件的加工變形控制工藝方法。試驗內容包括去應力方法對比、裝夾方式對比及刀具運動軌跡對比，3個方面組合形成8種具體的加工路線，每種加工路線設置2件工藝樣件，共16件工藝樣件開展試驗，記錄試驗過程中工件大面平面度的變化數據并進行分析。詳細的工藝試驗方案見表1。

表1 工藝試驗方案

5 工藝試驗

5.1 去應力對比試驗

根據工藝方法確定16件工藝樣件去應力的時機和方法，確定每件樣件在粗刨及粗銑后需分別去應力，并在去應力后采用三坐標測量儀檢測其平面度，記錄數據進行分析。其中8件采用常規的熱處理低溫去應力方式，另外8件采用諧波振動時效去應力方式，如圖2所示。

圖2 振動時效去應力

試驗結果表明，粗刨后，兩種不同的去應力方式，工件的平面度相差不大。粗銑后，采用諧波振動時效方式去應力的試驗件，比采用熱時效方式去應力的樣件變形量更小，其樣件的應力去除更充分、更均勻，加工變形控制效果更佳。其中一組去應力對比過程試驗數據分析如圖3所示。

圖3 去應力對比過程試驗數據分析

5.2 裝夾方式對比試驗

零件在數控銑削精銑加工時，對比真空吸盤裝夾方式和傳統的壓板裝夾方式，精銑工序后采用三坐標測量儀檢測其平面度，記錄數據進行分析。其中8件采用傳統的壓板裝夾方式，另外8件設計專用的真空吸盤工裝，采用真空吸盤裝夾方式裝夾，如圖4所示。

圖4 真空吸盤裝夾

試驗結果表明，粗銑去除大量材料后，在精銑時采用真空吸盤裝夾方式，夾持力分布更加均勻，切削過程中更加不易產生振動，平面度控制效果更佳。其中一組裝夾方式對比過程試驗數據分析如圖5所示。

圖5 裝夾方式對比過程試驗數據分析

5.3 刀具運動軌跡對比試驗

零件粗銑和精銑加工時，在加工參數和工藝方法完全一致的前提下，采用不同的刀具運動軌跡加工，用三坐標測量儀檢測其平面度，記錄數據進行分析。其中8件試驗件的刀軌路徑采用常規的從左至右的順序加工，另外8件采用從中間到兩端的順序加工，刀具運動軌跡對比試驗如圖6所示。

圖6 刀具運動軌跡對比試驗

試驗結果表明，采用兩種不同刀具運動軌跡加工的工件，無論是數控銑削工序后檢測的平面度值或者是曲線各階段的斜率，其差別都并不明顯，證明刀具運動軌跡的不同對此類零件加工變形的影響不大。其中一組刀具運動軌跡對比過程試驗數據分析如圖7所示。

圖7 刀具運動軌跡對比過程試驗數據分析

6 結束語

本文針對大型薄板零件的加工變形控制，開展關鍵影響因素分析，通過制定合理的加工方案及試驗方案，進行有效的工藝試驗，獲得了大量的試驗數據，為優選工藝方法提供了有力的支撐。工藝試驗數據分析表明，在控制此類大型薄板零件加工變形方面，采用振動時效的工藝方法相比采用熱處理時效的工藝方法效果更佳，采用真空吸盤的裝夾方式相比采用壓板的裝夾方式效果更佳。將相關研究成果形成工藝規范，并應用到此類大型薄板零件的加工變形控制中。通過采用新的工藝方法，零件加工平面度可以較穩定地控制在0.2mm以內，滿足設計精度要求。

工藝研究結果表明，改進后的加工工藝可有效提高零件的加工質量和加工效率，對大型薄板類零件的加工變形控制具有較好的借鑒意義。