郭磊磊, 孫 文, 胡強(qiáng)輝, 朱新波, 田 衡

(1.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065; 2.陜西電器研究所,陜西 西安 710025)

0 引 言

V型大薄板零件常用于電子產(chǎn)品支座、飛機(jī)機(jī)翼、航天器支架等重要場(chǎng)合,但其體積大,需要去除材料多,加工過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。因此,這類零件在加工前,工藝人員必須要全面考慮加工風(fēng)險(xiǎn)。在銑削加工過(guò)程中,薄板類零件由于壁薄、剛性差、強(qiáng)度低,極易受振動(dòng)、切削力和夾緊力等的作用影響而產(chǎn)生應(yīng)力變形,難以滿足尺寸精度、形位公差和表面質(zhì)量要求[1]。因此,在加工此類零件的過(guò)程中,除了考慮零件的加工工藝之外,還要充分考慮加工過(guò)程中可能引起變形的各種因素,需對(duì)零件的加工過(guò)程做一個(gè)綜合性的評(píng)判,以避免零件在加工過(guò)程中由于某個(gè)變形因素未作充分考慮而導(dǎo)致零件報(bào)廢。筆者對(duì)一種V字型開(kāi)放形式大薄板進(jìn)行研究,通過(guò)分析影響該類零件的變形因素,制定了合理的加工工藝路線,有效地解決了該零件的變形難題,對(duì)同類零件的批量生產(chǎn)具有較高的參考價(jià)值。

1 影響大型薄壁零件變形的因素

1.1 裝夾方法的影響

裝夾的作用就是定位和夾緊零件,對(duì)于薄板件來(lái)講,為了不使薄板零件“弓起”,加緊加工過(guò)程中應(yīng)盡量減小垂直于大面法向的夾緊力。因此,針對(duì)薄板類零件多采用真空吸附、粘膠緊固或者壓板壓緊的方式固定零件[2-3]。在實(shí)際加工場(chǎng)合中用的最多的是壓板壓緊零件,該方式可在加工區(qū)域增加壓板數(shù)量,在非加工區(qū)域減少壓板數(shù)量,并可交替使用。

1.2 切削用量的影響

切削用量一般由切削深度、切削速度、進(jìn)給量這三個(gè)要素組成[4]。對(duì)于薄板類零件而言,切削深度、切削速度、進(jìn)給量的數(shù)值以及所選刀具的尺寸越大,銑削時(shí)零件振動(dòng)越大,銑削完畢后零件內(nèi)應(yīng)力越大。零件后期變形越大,因此,在提高零件加工效率的基礎(chǔ)上必須綜合考慮零件各個(gè)切削參數(shù)對(duì)切削效率的影響作用。

1.3 熱時(shí)效的影響

不同材料的去應(yīng)力熱時(shí)效的方法各種各樣,文中論述所涉及的材料為2A12鋁合金。而影響零件尺寸穩(wěn)定性的主要因素有殘余應(yīng)力的大小和微觀組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究表明,2A12鋁合金經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效再熱時(shí)效后殘余應(yīng)力增大、組織錯(cuò)位較小、尺寸穩(wěn)定性差,但是該合金經(jīng)過(guò)循環(huán)處理后殘余應(yīng)力較小、組織細(xì)化、尺寸穩(wěn)定性好[5]。由此可見(jiàn),文中所用2A12鋁合金在機(jī)械加工過(guò)程中可以穿插進(jìn)行循環(huán)熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力。

2 V型大薄板零件銑削工藝路線分析

2.1 毛坯料及設(shè)計(jì)圖紙要求

圖1為典型的電子產(chǎn)品支座,它采用V字型開(kāi)放形式,材料為2A12硬鋁,外形尺寸為750×390,邊沿厚度1.5,中心厚度6,毛坯料尺寸為820×420×80。該零件為典型的V型大薄板零件,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(diǎn),采用常規(guī)的加工工藝時(shí)其大面平面度僅能達(dá)到0.8～1 mm[6],無(wú)法滿足設(shè)計(jì)平面度0.1的要求。

圖1 支座零件示意圖

2.2 工藝方案分析

由于零件形狀為V字型,為減小加工時(shí)裝夾次數(shù),此次加工采用五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床,X軸行程為700,Y軸行程為600,Z軸行程為500,B軸行程為-120°～65°。由于X軸行程不足,加工同一面左右兩端時(shí)需要兩次裝夾,并采用“少量多次”的加工原則。

按如圖2所示的方式進(jìn)行粗刨?？紤]到零件定位和變形,根據(jù)零件形狀,首先在B位置銑通孔并銑壓板位置,后續(xù)作基準(zhǔn)使用。然后進(jìn)行一次粗刨,各面預(yù)留5 mm余量,兩邊預(yù)留壓板壓緊的筋板,筋板同時(shí)起到“固定”零件加強(qiáng)筋作用,以防止側(cè)筋和底面變形,A為壓緊位置。

圖2 粗刨零件示意圖 圖3 面Ⅱ加工示意圖

由于粗刨材料去除率高,且內(nèi)應(yīng)力大,因此為了消除內(nèi)應(yīng)力,可以采用循環(huán)熱處理的辦法對(duì)零件進(jìn)行熱處理。

為了后續(xù)方便裝夾,在粗加工工序后,一般先選擇對(duì)面Ⅱ加工成型,此類薄板零件面Ⅱ這道工序分為零件正面成型和零件側(cè)面成型。

如圖3所示,首先銑出壓緊位置C,使用壓板壓住C位置,然后使用半精加工和精加工兩次加工成型,對(duì)于此類薄壁零件,半精加工一般預(yù)留0.1 mm余量[7]。精加工一端完畢后,零件不翻面,將零件旋轉(zhuǎn)180°,同樣銑出壓緊位置C,然后使用壓板壓住C位置,完成面Ⅱ的中間面和另一側(cè)的加工成型。

加工完面Ⅰ后,后續(xù)工序有兩個(gè)主要點(diǎn)值得注意。首先,零件背面已經(jīng)成為V字型,在加工時(shí)必須制作工裝來(lái)保證機(jī)床主軸與面Ⅱ垂直。其次,面Ⅰ已經(jīng)成型,零件精加工時(shí)邊沿厚度為1.5 mm,僅靠邊緣壓板難以減小零件加工過(guò)程中的振動(dòng)。

為了解決以上問(wèn)題,制作專用工裝,結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先,作沉孔用于嵌入面Ⅱ圓臺(tái),沉孔內(nèi)作定位銷釘孔以保證零件與機(jī)床的相對(duì)位置。然后,設(shè)壓緊孔三組,用于安裝固定壓板的雙頭螺柱;設(shè)工裝壓緊槽兩處,用于固定工裝在機(jī)床上的相對(duì)位置。

圖4 面Ⅰ加工工裝示意圖

如圖5所示為精加工示意圖。為減少零件振動(dòng),共設(shè)壓緊位置(D/E)、F、(G/H)三組,其中D、E兩組壓緊位置在加工1.5 mm薄面時(shí)交替使用,F在4個(gè)圓臺(tái)頂部及孔加工完畢時(shí)螺栓加固零件與工裝之間的相對(duì)位置使用,G 、H位置是除了加工中間面時(shí)全程使用的壓緊位置,在精加工中間孔時(shí),可與F交替使用。

圖5 面Ⅰ精加工示意圖

綜上所述,此類零件的加工方法可以概述為如圖6所示,由于零件為軸對(duì)稱零件,因此加工同一面掉頭過(guò)程不在加工工藝流程圖中體現(xiàn)。

圖6 加工工藝流程圖

該加工工藝適用于V字型開(kāi)放形式鋁板且此類鋁板表面上必須含有若干通孔。

3 加工過(guò)程的注意事項(xiàng)

3.1 零件邊緣走刀軌跡優(yōu)化

對(duì)于加工面Ⅱ的走刀軌跡來(lái)說(shuō),由于面Ⅱ留有較大余量且零件變形量較好控制,因此這里不在贅述。但在加工面Ⅰ時(shí),零件邊緣僅有1.5 mm厚,零件容易受各種變形因素影響,通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由內(nèi)向外的走刀方式所引起的變形量能較好地匹配該加工尺寸,優(yōu)化后的走刀軌跡詳如圖7所示,且通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這種走刀方式能較好地保證零件尺寸。

圖7 優(yōu)化后的走刀軌跡示意圖

經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種V字型薄板的尺寸極容易受進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和走刀方式的影響,且這種2A12大薄板邊緣較合適的工藝參數(shù)為:進(jìn)給量F=600、主軸轉(zhuǎn)速S=3 000、刀具直徑φ10,走刀路徑為由內(nèi)向外。

3.2 加工過(guò)程仿真

針對(duì)這種大型零件,在五軸加工時(shí)要特別注意數(shù)控程序仿真,零件在加工時(shí)編程軟件的后置處理必須預(yù)先設(shè)置好。五軸機(jī)床在坐標(biāo)變換的時(shí)候有兩種形式,一種是第一旋轉(zhuǎn)軸正向旋轉(zhuǎn)求解,另一種是第一旋轉(zhuǎn)軸逆向旋轉(zhuǎn)求解,當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)軸與預(yù)期轉(zhuǎn)向相反時(shí),第二旋轉(zhuǎn)軸會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)使零件被加工平面旋轉(zhuǎn)180°且與主軸垂直,如圖8所示為機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。

圖8 機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖

如上所述,機(jī)床空間不夠時(shí),會(huì)發(fā)生零件與機(jī)床其他部位碰撞。以ITNC530數(shù)控系統(tǒng)為例,調(diào)用PLANE SPATIAL語(yǔ)句使坐標(biāo)系由Csys1到Csys2變換時(shí),SPB與SEQ后跟的正負(fù)號(hào)必須相同,否則機(jī)床C軸旋轉(zhuǎn)會(huì)引起零件與B軸碰撞,如圖9所示。

圖9 機(jī)床碰撞示意圖

4 零件加工結(jié)果分析

該零件的關(guān)鍵尺寸為1.5±0.1 mm、5±0.1 mm、6±0.1 mm、8°±1°,加工完畢后尺寸如表1所列。

表1 關(guān)鍵尺寸實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

從零件加工結(jié)果來(lái)看,加工后的零件尺寸均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,但由于零件邊緣較薄,銑削時(shí)振動(dòng)大,1.5±0.1 mm厚處的尺寸明顯偏小,但對(duì)于批產(chǎn)的大薄板零件而言,加工尺寸完全可以接受。

從表1中也可以看出,壓緊D位置、加工E位置時(shí),1.5±0.1 mm厚的尺寸能較好地保持,但在倒換壓板后加工D位置時(shí),D位置處加工完畢后最小厚度均小于E位置,因此,在加工完畢后需要對(duì)E與D交界位置進(jìn)行拋光。

尺寸5±0.1 mm、6±0.1 mm、8°±1°這三個(gè)尺寸較好控制,這里不在贅述,綜合以上加工結(jié)果來(lái)看,該加工工藝完全能夠控制批產(chǎn)零件的尺寸,同類薄板零件可以參考該加工工藝。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中針對(duì)一種V型大薄板零件的銑削加工工藝進(jìn)行研究,給出了一種能較好控制此類零件變形的加工工藝,并驗(yàn)證了該工藝的可靠性。然后,給出了優(yōu)化后的加工刀具路徑,并進(jìn)行了數(shù)控程序運(yùn)動(dòng)仿真,提出了此類大型薄壁零件在走刀方式和機(jī)床坐標(biāo)變換加工過(guò)程中該注意的問(wèn)題。最后,分析了加工結(jié)果中的缺陷。這對(duì)于大型板類零件批產(chǎn)工藝具有很高的參考價(jià)值。