傅 強(qiáng) 錢愛萍

（浙江汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 317000）

浙江省教育廳科研項目《汽車油電混合動力一體化機(jī)體數(shù)控加工技術(shù)》編號：Y200909400。

ISG輕度混合動力電機(jī)機(jī)體是在研油電混合動力汽車電子等平衡動力系統(tǒng)的內(nèi)容。該汽車起動發(fā)電一體機(jī)（ISG）與發(fā)動機(jī)主軸并聯(lián)，不同于一般電機(jī)結(jié)構(gòu)，為保證其正常工作，同時滿足汽車輕量化設(shè)計的需要，該機(jī)體主體材料為鋁合金，且設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是其缸蓋，壁厚較薄，因而使用普通機(jī)械加工方法加工時，廢品率過高。

為解決這一問題，我們利用虛擬加工可描述刀具的真實運動軌跡，完成諸如碰撞、干涉檢驗等功能外，通過逼真地描述加工后工件的形狀誤差、位置誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性來判斷零件的加工質(zhì)量，以此優(yōu)化數(shù)控加工工藝。這樣既不消耗實際的資源和能量，又可為實際加工提供理論依據(jù)和方法。通過比較，最終選用了較為適合這些要求Unigraphics NX6.0軟件加以實現(xiàn)，同時對電機(jī)機(jī)體缸蓋的加工進(jìn)行具體的工藝分析，確定加工工藝參數(shù)。

1 零件的結(jié)構(gòu)特點及整體工藝分析

電機(jī)機(jī)體缸蓋結(jié)構(gòu)如圖（1）、（2）所示，為保證其正常工作，同時要滿足汽車輕量化設(shè)計的需要，其材料為鋁合金，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。這類零件工作型面的設(shè)計涉及到空氣動力學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科，同時要求輕量化設(shè)計，加工難度由此增大。對于普遍使用的薄壁結(jié)構(gòu)零件而言，必須考慮工件可能發(fā)生的顯著加工變形及其與刀具變形之間復(fù)雜的耦合效應(yīng)。仿真切削過程，揭示切削力引起的刀具、工件變形規(guī)律，優(yōu)化關(guān)鍵工藝參數(shù)和修改原始數(shù)控編程刀具軌跡，以消除加工彈性變形誤差。

目前國內(nèi)外相關(guān)研究都具有較高的參考價值，例如：Law[1]根據(jù)懸臂梁理論分析計算刀具的加工撓曲變性規(guī)律，并建立了端銑型腔時的刀具變形誤差補(bǔ)償模型。Kim[2]則將銑削刀具的刀桿和刀齒部分近似處理成具有不同直徑的兩段圓柱懸臂梁，以預(yù)測刀具變形量的大小。Liu[3]指出通過選擇適當(dāng)?shù)牡毒啐X數(shù)、軸向切深、徑向切深以及進(jìn)給速度的大小，能夠有效減小因刀具變形而引起的側(cè)銑加工表面誤差。鄭聯(lián)語[4]研究了控制薄壁零件數(shù)控加工變形的進(jìn)給量局部調(diào)整、刀具路徑修正等工藝改進(jìn)策略，并給出了優(yōu)化過程。武凱[5]討論了薄壁腹板的加工變形規(guī)律及其變形控制方案。

本次加工零件為電機(jī)的缸蓋，具體為左右兩件，裝配圖如圖（1）、圖（2）。

圖1

圖2

2 確定數(shù)控加工工藝方案

2.1 選擇合適的數(shù)控加工機(jī)床

綜合考慮本工件的尺寸、加工精度、技術(shù)要求以及加工成本，加工選用的是大連機(jī)床廠生產(chǎn)的VDL-1000A加工中心，該機(jī)床行程：1020×560×600mm，主電機(jī)功率 7.5/11kW，主軸采用精密級斜角滾珠軸承高速高精密，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min。主軸利用IRD動態(tài)平衡較正設(shè)備，直接校正主軸動態(tài)平衡，使主軸在高速運轉(zhuǎn)時，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，確保最佳的加工精度。CNC控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)配置FANUC 0i-MB，全數(shù)字式AC伺服系統(tǒng)，可通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口及DNC功能與UG軟件連接，實現(xiàn)自動化加工。綜合考慮該機(jī)床無論是從零件輪廓形狀復(fù)雜程度、尺寸大小、加工精度等方面都能滿足工件的加工要求[6]。

2.2 零件的繪制和尺寸標(biāo)注

根據(jù)設(shè)計資料，將零件三維立體圖形繪出，并按數(shù)控加工的特點重新標(biāo)注尺寸，在設(shè)計原則上應(yīng)以同一基準(zhǔn)標(biāo)注尺寸或直接標(biāo)注坐標(biāo)尺寸。這種標(biāo)注方法既便于節(jié)點和基點的計算以及數(shù)控加工程序的編制，在保持設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、檢測基準(zhǔn)與編程原點設(shè)置的一致性方面帶來很大方便。由于在零件的尺寸標(biāo)注中考慮到裝配等其他原因，所以采用了局部分散的標(biāo)注方法，這樣就會給工序安排與數(shù)控編程加工帶來許多不便。但是數(shù)控機(jī)床的加工精度和重復(fù)定位精度都很高，因此不會因產(chǎn)生較大的積累誤差而破壞使用特性，對零件的加工精度也不會產(chǎn)生太大的影響。

2.3 按照數(shù)控加工的特點進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝性安排

因零件精度要求較高，為了使加工廢品率降低，必須采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位。因為在數(shù)控加工中，若沒有統(tǒng)一基準(zhǔn)定位，工件會因為重新安裝而導(dǎo)致加工后的兩個輪廓位置精度發(fā)生變化。因此要避免上述問題的產(chǎn)生，保證兩次裝夾加工后其相對位置的準(zhǔn)確性，應(yīng)采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位。電機(jī)機(jī)體右端蓋和左端蓋在加工當(dāng)中均采用工件上的兩個孔作為工藝孔和精基準(zhǔn)如圖（3）與圖（4）。在圖（4）當(dāng)中藍(lán)色的定位元件和菱形銷均為工件的定位基準(zhǔn)。

圖3 左端蓋

圖4 右端蓋

2.4 確定加工方法

加工方法的選擇原則是保證加工表面的加工精度和表面光潔度的要求。由于獲得同一級精度及表面光潔度的加工方法一般有許多，因而在實際選擇時，要結(jié)合零件的形狀、尺寸大小和熱處理要求等全面考慮。例如，對于IT7級精度的孔采用鏜孔、鉸孔、磨孔等加工方法均可達(dá)到精度要求，但箱體上的孔一般采用鏜孔或鉸孔，而不宜采用磨削。一般小尺寸的箱體孔選擇鉸孔，當(dāng)孔徑較大時則應(yīng)選擇鏜孔。根據(jù)此原則電機(jī)機(jī)體端蓋上大孔的加工方式是：粗銑-半精鏜孔-精鏜孔的加工方式，小孔的加工方式是：鉆孔-鉸孔的加工方式。而工件的內(nèi)輪廓和外輪廓要求較高的地方則采用：粗加工、半精加工和精加工逐步達(dá)到的?？傊?dāng)工件既有平面又有孔需要加工時，加工原則是：先基準(zhǔn)后其它、先粗后精、先主后次、先面后孔。因為銑削時切削力較大，工件易發(fā)生變形。先銑面后鏜孔，使其有一段時間恢復(fù)，減少由變形引起的對孔的精度的影響。

2.5 夾具的選擇和定位原則

夾具的選擇和定位原則應(yīng)該力求設(shè)計、工藝與編程原點的基準(zhǔn)統(tǒng)一；盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位裝夾后，加工出全部待加工表面；避免采用占機(jī)人工調(diào)整式加工方案，以充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效能。另外，由于該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料硬度較鋼材低，且壁厚較薄，因此，在選擇夾具時還應(yīng)考慮給予必要的支撐。數(shù)控機(jī)床的夾具還應(yīng)該具備如下要求：一是要保證夾具的坐標(biāo)方向與機(jī)床的坐標(biāo)方向相對固定；二是要確定零件原點和機(jī)床原點的尺寸關(guān)系。當(dāng)然除此而外還有其他的一些要求在此不再累述。

2.6 刀具的選擇與切削用量的確定

與傳統(tǒng)的加工方法相比，數(shù)控加工對刀具的要求更高，不僅要求精度高、剛度好、耐用度高，而且要求尺寸穩(wěn)定、安裝調(diào)整方便[7]。切削用量的確定：主軸轉(zhuǎn)速、銑削速度、進(jìn)給量。切削用量設(shè)定時主要考慮以下幾個方面：a.機(jī)床的加工能力及機(jī)械性能；b.選用的是何種刀具；c.被加工的工件是何種材料；d.刀具材料和直徑的大小，所以要求采用新型優(yōu)質(zhì)材料制造數(shù)控加工刀具，并優(yōu)選刀具參數(shù)。由于端蓋的材料是鋁合金，根據(jù)前期加工經(jīng)驗，最終選用山特維克平底銑刀、三面刃銑刀及精鏜孔刀具。

綜上所述，最終制定出加工工藝方案，詳見附錄。

圖5 模擬加工示意圖

3 模擬試加工

根據(jù)已制定的工藝過程，選用相應(yīng)的工藝參數(shù)，利用UG的虛擬加工技術(shù)進(jìn)行模擬加工，并對加工路線加以修正，采用部分補(bǔ)償?shù)姆椒?，改善工件的加工質(zhì)量，使加工件的合格率加以提高，減少加工變形而導(dǎo)致的廢品產(chǎn)生。其中尤其是對加工余量和走刀路線通過模擬加工可以檢驗，其優(yōu)化過程可參考相關(guān)論著[4]、[5]模擬加工示意圖如圖（5）。

綜上所述，經(jīng)過以上工藝設(shè)計基本能夠保證加工的可靠性，經(jīng)實際試加工也已經(jīng)證實了其可行性，并已經(jīng)通過檢驗合格。在執(zhí)行加工過程中，仍有些問題還未得到較好的解決，希望在后續(xù)工作中加以完善，例如：切削表層殘余應(yīng)力及扭曲變形控制；加工系統(tǒng)振動控制等方面都還有待解決。

[1]鄭聯(lián)語，汪叔淳.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法[J].航空學(xué)報，2001，22(5).

[2]武凱，何寧等.薄壁腹板加工變形規(guī)律及其變形控制方案的研究[M]，2004，15(s).

[3]張俊生.金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001，1.

[4]樂兌謙.金屬切削刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001，6.

[5]王慶林，李莉敏，韋紀(jì)祥，王榮生.Unigraphics CAD/CAM應(yīng)用[M]北京：清華大學(xué)出版社2003，6.