■ 江蘇自動化研究所 （江蘇連云港 222000） 袁保寧

箱體零件作為某型號產(chǎn)品的重要零部件，其形狀復(fù)雜、尺寸精度和幾何公差嚴(yán)格、整體變形量要求高，若要高質(zhì)量地完成，加工難度較大，需要五軸加工中心、高精度數(shù)控車等設(shè)備支持。

目前，車間只有三軸加工中心，配置的數(shù)控車在加工范圍和加工精度上均不能滿足圖樣設(shè)計要求。結(jié)合自身制造條件，在不增加任何投入的情況下，如何在三軸加工中心完成零件的加工需要解決三個難題：首先是復(fù)雜曲面零件的裝夾工藝及加工問題；其次是在三軸機床如何實現(xiàn)五軸定向加工問題；最后是如何替代數(shù)控車完成高精度內(nèi)外圓同步加工問題。經(jīng)過不斷摸索，我們完美解決了上述難題，現(xiàn)就這三個問題詳細(xì)闡述如下。

1.復(fù)雜曲面零件裝夾工藝及加工問題

圖1 零件

零件形狀復(fù)雜，如圖1所示，存在大量曲面、斜面和圓弧，正反面有較高的相對位置要求，空間曲面的裝夾、定位非常困難。按照傳統(tǒng)加工工藝方式，無論首先完成任何一個面的加工，另一個面基準(zhǔn)找正、裝夾、加工都非常困難，且零件易松動、變形，加工質(zhì)量無法保證；并且為充分釋放加工產(chǎn)生的應(yīng)力，控制變形量，需要零件在全部粗加工完成后，經(jīng)時效處理再進行精加工，這對裝夾工藝及加工方案提出了難題。為有效實現(xiàn)零件多面特征裝夾，保證曲面特征、尺寸精度和幾何公差，控制變形量，經(jīng)論證，決定采用“圍框”式裝夾工藝及加工方案，具體實施內(nèi)容如下。

（1）“圍框”的確定 零件中三個呈120°均布的支架形成一個φ310mm的圓，以此為基準(zhǔn)，單邊留余量5mm，形成一個320mm×320mm的矩形作為創(chuàng)建“圍框”式邊界，如圖2所示。一方面可以通過千分表找正矩形直角邊外形完成基準(zhǔn)準(zhǔn)確定位，使正反面加工基準(zhǔn)高度一致；另一方面粗加工時可以將零件快速方便地直接在虎鉗上夾持完成加工；同時，預(yù)留的四周余量可以在精加工時使用壓板夾持固定。

圖2 “圍框”式邊界

（2）“圍框”式裝夾及加工工藝 備料毛坯：326mm×326mm，單邊加工余量3mm。首先使用虎鉗夾持毛坯，加工上表面及320mm×320mm矩形，然后粗加工反面各臺階、曲面及斜面，其中三個呈120°均布的支架獨立加工。然后利用精密虎鉗夾持“圍框”矩形，以320mm×320mm矩形外形為找正基準(zhǔn)，粗加工零件厚度、正面各臺階、曲面及斜面。此時粗加工工序全部結(jié)束，零件通過12處缺口面及三個支架與“圍框”相連，整個半成品牢固可靠，變形量極小。

經(jīng)時效處理將加工應(yīng)力充分釋放，零件直接置于機床工作臺面上，在確保其始終處于自由狀態(tài)的情況下，通過壓板完成對零件的夾持固定，使用千分表找正“圍框”矩形外形，以此為基準(zhǔn)確定零件中心。首先完成厚度方向表面精加工，然后對反面粗加工區(qū)域進行精加工，其中高精度內(nèi)孔、外圓在最后工步完成加工，留0.1～0.2mm精鏜余量。同樣裝夾工藝，找正“圍框”矩形外形，以反面加工的半精鏜通孔為基準(zhǔn)，完成零件厚度及正面粗加工區(qū)域的精加工工作，從而確保零件正反面相對位置的高度一致。

零件全部加工完成后，使用自制專用環(huán)形墊塊實施對零件三處支架的有效支撐，通過零件內(nèi)孔穿螺釘搭壓板方式完成對零件的夾持固定，以圖2中A處作為進出刀點，完成零件的外形加工，實現(xiàn)零件與“圍框”的分離工作。為控制變形，Z向采用分層加工方式，僅在底面三個支架處留0.05mm余量與“圍框”相連，每刀切削深度0.3mm，選用小刀徑大螺旋角立銑刀高速加工完成。由于支撐牢固、裝夾穩(wěn)定，特別是極小的分層切削，大幅降低了切削力的產(chǎn)生，加工完成后使用刀片將三個支架處0.05mm厚鋁皮輕輕劃破，即實現(xiàn)了零件與“圍框”的完美脫離，且零件沒有因此產(chǎn)生變形。圖3所示為零件在三種狀態(tài)下加工后的實際效果。

（3）刀具選擇及切削參數(shù)刀具選擇 鑒于波形刃立銑刀和大螺旋角立銑刀在粗、精加工方面優(yōu)異的加工性能，我們在零件全部銑加工中均選用不同直徑的國產(chǎn)鋁用整體硬質(zhì)合金波形刃立銑刀和45°大螺旋角平刀及球刀分別進行粗、精加工。

切削參數(shù)：粗加工時根據(jù)不同加工區(qū)域的強度和狀態(tài)，主要選擇φ20mm、φ10mm兩種直徑波形刃立銑刀，深度方向以每刀切削深度5mm為參考，分層加工，φ20mm銑刀主軸轉(zhuǎn)速n＝3 000r/min，進給速度vf＝800mm/min；φ10mm銑刀主軸轉(zhuǎn)速n＝4 000r/min，進給速度vf＝1 200mm/min。精加工時選用同直徑45°大螺旋角銑刀，余量0.1mm一次加工到位，刀具每齒吃刀量控制在0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速n＝5 000r/min，進給速度vf＝1 500mm/min。

圖3 零件加工效果

（4）數(shù)控銑加工過程的重點控制 曲面的形位尺寸精度由本工序控制，在優(yōu)化選擇刀具及相應(yīng)切削參數(shù)的前提下，如何確保加工精度和表面質(zhì)量，同時兼顧生產(chǎn)效率，對切削方式的選擇提出了較高的要求。我們將設(shè)計模型圖直接轉(zhuǎn)換為Mastercam 實體三維圖，進行Mastercam三維編程，并在加工路徑和程序參數(shù)上做了優(yōu)化，避免產(chǎn)生空刀路徑，以小切削深度大進給的方式減少切削應(yīng)力產(chǎn)生，控制零件變形。粗加工曲面時，首先使用平直刀以曲面挖槽方式加工出大致形狀，然后使用球刀全部以等高外形加工方式，適當(dāng)增大Z向銑削間距，在控制變形的前提下，以保證加工效率為目的，快速高效地完成零件粗加工。

精加工曲面時，由于不同曲面、同一曲面的不同區(qū)域其曲率相差較大，不適宜采用單一曲面加工方式，為確保加工質(zhì)量同時兼顧效率，針對不同情況分別采用等高外形、曲面流線及3D等距等不同的曲面加工相結(jié)合方式，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，使加工過程中材料受力均勻，減少振動和變形，大幅提高了表面質(zhì)量和加工精度。

加工結(jié)果證明，“圍框”式裝夾加工工藝完美解決了復(fù)雜曲面零件的裝夾、定位及加工精度的問題，以此為基礎(chǔ)，配以合理的刀具選用、優(yōu)化的切削方式和切削參數(shù)，優(yōu)質(zhì)高效地完成了加工。

2. 在三軸加工中心實現(xiàn)五軸定向加工

（1）加工背景及方案 為防止裝配時出現(xiàn)干涉，在零件的支架附近設(shè)計兩處三維小斜面，如圖4所示，為保證尺寸精度及表面質(zhì)量，設(shè)計要求必須由機床完成三維斜面及根部清角加工，不允許鉗工修銼。因此無法使用球刀在三軸加工中心進行三維斜面銑削，而必須使用平刀由五軸機床的雙軸復(fù)合轉(zhuǎn)動完成定向加工。

在不具備相關(guān)設(shè)備的情況下，經(jīng)過論證，將一臺報廢坐標(biāo)鏜床的雙向回轉(zhuǎn)臺附件安裝在三軸加工中心，通過人工搖動回轉(zhuǎn)盤，代替五軸機床實現(xiàn)A、C軸復(fù)合旋轉(zhuǎn)功能，完成空間三維斜面的定向加工。

（2）雙向回轉(zhuǎn)臺精度檢測 由于設(shè)備陳舊、長期閑置，其旋轉(zhuǎn)精度達不到圖樣設(shè)計要求，根據(jù)零件三維斜面需要旋轉(zhuǎn)的角度，在轉(zhuǎn)臺上利用試件加工了一系列特征孔，通過檢測計算出轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)精度差值，加工時進行人為補償，確保三維斜面定向準(zhǔn)確。

（3）零件裝夾找正及加工 回轉(zhuǎn)臺處于水平狀態(tài)，將零件置于回轉(zhuǎn)臺面，千分表找正零件“圍框”矩形外形及精鏜通孔，確保零件中心、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心及機床主軸三者同心，通過轉(zhuǎn)臺中心孔使用螺釘壓板將零件固定在轉(zhuǎn)臺上，依據(jù)精度檢測值，手工搖動轉(zhuǎn)臺完成零件雙向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)三維斜面空間定向，使用φ4mm立銑刀完成加工，如圖5所示為現(xiàn)場加工實景。

加工結(jié)果證明，利用雙向回轉(zhuǎn)臺巧妙解決了在三軸加工中心實現(xiàn)五軸定向加工問題，實現(xiàn)了三維斜面及根部清角的加工，經(jīng)檢測完全達到圖樣設(shè)計要求。

圖4 三維斜面

圖5 加工現(xiàn)場

3. 自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿完成高精度內(nèi)外圓同步加工

（1）加工背景 如圖6所示，零件中有一組高精度內(nèi)外圓需要加工，因為安裝時有配合要求，所以對尺寸精度、圓柱度、同軸度及表面粗糙度提出了很高的要求。正常情況下該工序一般安排車工完成，由于本部門配置的數(shù)控車床在夾持范圍和加工精度上均達不到圖樣設(shè)計要求，因此必須放棄慣有思路，依托現(xiàn)有條件，另辟蹊徑。

現(xiàn)有加工中心受機床精度制約，執(zhí)行G02/G03圓弧銑削指令完成加工的內(nèi)外圓，不僅圓柱度無法滿足φ0.008mm的圖樣設(shè)計要求，而且表面粗糙度值1.6μm及外圓和內(nèi)孔φ0.01mm的同軸度也達不到要求，只有利用主軸高精度旋轉(zhuǎn)通過鏜的加工方式解決問題，而現(xiàn)有刀具廠商提供的鏜頭只能加工內(nèi)孔。因此，如果能夠解決車間現(xiàn)有鏜頭的外圓加工問題，就可以實現(xiàn)零件高精度內(nèi)外圓同步加工，取代車床，確保所有精度達到要求。

（2）設(shè)計圖樣的確定 通過對鏜頭結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合各類鏜刀尺寸，在不增加額外投入的情況下，以至簡實用為目的，自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿，完成鏜刀刀尖180°換向，使用M04指令機床主軸逆時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了外圓的鏜加工功能。如圖7所示為鏜刀轉(zhuǎn)向桿設(shè)計圖。

圖6 零件結(jié)構(gòu)

圖7 鏜刀轉(zhuǎn)向桿結(jié)構(gòu)

（3）使用說明 如圖8所示，將鏜刀轉(zhuǎn)向桿φ20－0.005－0.020mm的帶扁平面的軸插入與之配合的鏜頭側(cè)面孔中，根據(jù)所鏜零件外圓直徑大小，對軸伸出的長短進行粗略調(diào)整，然后將鏜頭側(cè)面三個M12螺釘頂在轉(zhuǎn)向桿扁平面上，既起到定向作用，又能固定刀桿防止轉(zhuǎn)動。將加工使用的鏜刀裝入刀桿與之配合的φ20+0.02+0mm孔中（刀尖指向回轉(zhuǎn)中心），通過刀桿側(cè)面起鎖緊、定向作用的M8螺釘，將鏜刀準(zhǔn)確固定在刀桿中，此時主軸逆時針旋轉(zhuǎn)，即可完成外圓的鏜銑加工。

由于鏜刀轉(zhuǎn)向桿φ20－0.005－0.020mm的軸與鏜頭側(cè)面孔、φ20+0.02+0mm的孔與鏜刀柄均設(shè)計加工＜0.02mm的裝配間隙，同時孔與軸心線的對稱度控制在0.02mm以內(nèi)，因此整個裝置牢固可靠，具有較高的定位精度，確保刀尖運動時始終處于旋轉(zhuǎn)圓弧的最高點，實現(xiàn)了鏜刀的精確調(diào)整移動，為零件外圓的高精度鏜銑加工提供了保障。

為擴大鏜刀轉(zhuǎn)向桿的使用范圍，在用于安裝鏜刀的φ20+0.02+0mm孔兩側(cè)，均設(shè)計加工了起鎖緊定位作用的M8螺釘孔，當(dāng)鏜刀刀尖向外時，通過另一側(cè)M8螺釘將其準(zhǔn)確固定在刀桿上，同樣一把鏜刀，僅僅將其旋轉(zhuǎn)了180°，此時主軸順時針旋轉(zhuǎn)，就可以方便地完成內(nèi)孔的鏜銑加工。

利用自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿，圓滿完成了符合要求的高精度外圓加工，同步完成了零件內(nèi)孔加工，確保了兩者φ0.01mm的同軸度設(shè)計要求。經(jīng)三坐標(biāo)測量儀檢測，零件所有相關(guān)尺寸精度及幾何公差均達到設(shè)計要求。

4. 結(jié)語

結(jié)合自身制造條件，在不增加任何投入的情況下，通過工藝創(chuàng)新設(shè)計和實施，取代五軸加工中心和數(shù)控車床，解決了某型號箱體零件在普通三軸加工中心的加工難題，在保證質(zhì)量的同時，大幅降低了加工成本。特別是利用自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿，在普通加工中心實現(xiàn)了零件的高精度內(nèi)外圓同步加工，有效擴大鏜頭的使用范圍，為以后此類問題的解決提供了加工經(jīng)驗和技術(shù)支持。

圖8 鏜刀轉(zhuǎn)向桿與鏜頭