梳型薄壁零件加工工艺研究

高章育，陈 辉，李世男，张彦杰

(沈阳建筑大学 交通与机械学院，沈阳 110168)

0 引言

在包装机械行业中，出现了一种梳型薄壁的典型零件，是灌装机的一重要零部件。此零件外形简单，采用的304（0Cr19Ni9）不锈钢材料，但是加工难度大[1]，同时对加工精度有一定要求，由于零件的梳型和壁薄的特点，薄壁使加工中易变形，梳型需要多次转换工位，生产效率低，加工周期长。

针对以上情况，本文结合梳型薄壁零件的结构特点和特殊工艺的要求，设计了一套加工工艺以及研制了自动分度夹具，在满足零件加工要求的前提下，大大提高梳型薄壁零件的生产效率，降低了工人的频繁操作强度，满足了梳型薄壁零件大批量生产的要求。

1 梳型薄壁零件的结构特点

如图1所示为梳型薄壁零件图，此零件壁薄，并且在薄壁圆周上需要加工出微细缝隙，尤其是在二次装夹时容易变形，装夹定位困难，致使生产效率低，具体表现如以下三个方面：

1）梳型薄壁零件在加工微细缝隙时，对加工方法要求较高，加工时较大切削力易对零件的变形量产生较大影响，以及考虑生产成本的要求；

2）零件的壁薄，在普通卡盘装夹时，夹紧力会对零件的变形产生较大影响；

3）由于零件在薄壁周围均匀分布着微细缝隙，在对零件的分度如采用传统分度头，增加工人频繁的操作强度，难以提高加工效率。

图1 工件图纸

2 工艺分析及方案

研究出一套合理的加工工艺，不仅可以解决上述问题，而且能满足零件的加工精度要求，提高效率，适应大批量生产要求。

2.1 毛坯料选取

304不锈钢在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，作为不锈耐热钢使用最广泛，食品用设备，一般化工设备等。因此选用304不锈钢作为梳型薄壁零件的材料。

但是由于304为奥氏体不锈钢具有高韧性和塑性，切削过程易产生塑性变形，使切削力增大，切屑不易断屑，导致加工性能差[2]。所以选用不锈钢管材Φ38x2-8，加工余量小，加工效率提高，适宜于大批量生产的选材。

2.2 工艺分析

根据零件的基本外形结构分析，此零件主体为回转体，然后在主体结构上加工出圆周均匀的微细缝隙。以现有机床，无法通过一次装夹完全加工出来。所以进行工序分散，采用车削与其他微细加工方法来完成的零件加工。

由于选用不锈钢管材，基本外形尺寸可以直接在数控车床上加工出，并能保证尺寸精度的要求。然而微细缝隙的加工是本工艺的加工难点，传统加工方法难以满足要求。

这里考虑了特种加工法来实现工艺的要求，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，利用热能、电能、化学能等，以上加工法与工件的硬度强度等机械性能无关，因此能满足薄壁零件的加工。由于考虑到加工成本以及加工效率等方面因素，本工艺选用电火花线切割加工[3]。

2.3 工艺方案确定

管材首先在数控车床上加工，粗车外圆、平整端面、粗镗削内孔，精车外圆、镗削内孔、截断，保证各个零件尺寸的要求，去毛刺。零件圆周均匀的微细缝隙由数控线切割机床来加工，可以满足外形尺寸的要求[4]。

3 夹具的分析与设计

零件的装夹定位是加工合格零件的基本要素，然而夹具起着至关重要的作用，夹具的优劣直接影响着加工效率和加工质量。

3.1 夹具分析

外形基本尺寸加工时，车削加工可以直接选用数控车床自带三爪自定心卡盘。以不锈钢管外圆为基准对毛坯进行定位与加紧，既可以满足加工需求。微细缝隙的加工时，需要在线切割机床上来实现。然而线切割机床没有通用夹具，对于圆周均匀的微细缝隙的加工难以满足，必须进行专用夹具的设计，才能保证零件的加工合格。

线切割机床夹具首先要满足工件的定位以及加紧，同时还要工件每道缝隙的间的角度要求，由于此每件零件的缝隙较多，因此必须实现夹具的自动转换角度，这就对夹具的设计提出了较高要求。

3.2 线切割机床夹具的设计

1）线切割机床夹具方案

线切割机床一般没有通用夹具，只配备了简易的夹具，仅能满足普通加工需求。针对此零件的夹具设计，从工件的定位加紧和实现自动转角度两个方面来考虑。

定位加紧仍然采用三爪定心卡盘，但是对于薄壁零件装夹增加卡盘与工件的接触面积，以减小工件受力变形，同时采用气动卡盘，气压调定合适，即可以满足高效便捷的加工。

自动转角度则采用PLC控制步进电机，电机带动卡盘的方法。通过线切割在加工细缝时工作台移动触动位置传感器，产生触发电信号，控制步进电机转动一个角度，如此连续即可实现自动转角度加工。

2）线切割机床夹具设计

首先对进气动卡盘的每个卡爪增前段加一个月牙圆弧板，采用焊接方式与卡爪连接，然后用车床在进气动卡盘装好的卡爪前段月牙板上加工出一个台阶，圆弧直径为Φ35.75mm。通过改进气动卡盘的卡爪，可以更好定位和加紧工件，以减少工件的变形，方便装夹找正。

自动转角结构为，采用一底座来支撑和定位步进电机及卡盘，采用混合式步进电机直接驱动卡盘，混合步进电机在未加电的情况有自锁能力，适用于本工艺的特殊要求，在每转过一个角度后自锁，便于线切割的加工。使用PLC连接驱动器来驱动步进电机，驱动器细分可以消除电机低频振荡[5]。

采用57二相电机，步距角为0.9o/1.8o，驱动扭力最大约为1N/m。卡盘采用K51-160C气动卡盘，装卡范围为10mm～160mm，卡盘重量为12Kg，转动惯量大约为0.0768kg.m2，采用57二相电机可以满足要求。PLC采用三菱系统FX1S-10MR-001型，10接口即可满足需要。驱动器选用细分数为40档，自动化分度夹具步距角为0.045o，卡盘每转4.5o需要100个脉冲[6]。最终设计的自动分度夹具模型如图2所示。

图2 设计自动分度夹具模型

在线切割机床工作台上，采用两套自动化分度夹具，对称分布，同时在机床两侧都设置一个位置传感器，便于提高加工效率。工作原理：装卡工件→线切割加工右侧工件→触发右位传感器，左侧夹具专一角度→线切割加工左侧工件→触发左位传感器，右侧夹具专一角度→最终完成加工。

PLC程序及接线图如图3、图4所示。

图3 PLC程序

图4 PLC接线示意图

4 结论

本研究提出了一种加工梳型薄壁零件的工艺，同时还设计了一套自动分度夹具。提高了梳型薄壁类零件的自动化加工程度，改善了加工定位精度，显著提升了加工效率，降低了工人的工作强度，因此满足了大批量生产需要。

[1]谭波,刘彦伯.304不锈钢薄壁环类零件的车削加工[J].新技术新工艺.2012(11).31-33.

[2]罗永顺,覃孟扬,李玉忠.不锈钢切削残余应力实验研究[J].现代制造工程.2014(3).79-82.

[3]曹凤国,等.特种加工手册[M].机械工业出版社,2010-11-1

[4]朱焕池.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社.2001.

[5]刘飞,刘新正.两相混合式步进电机多级细分控制的应用研究[J].微电机,2007,40(1):14-17.

[6]殷华文,于兆和,马志刚.PLC对步进电机的控制技术[J].组合机床与自动化加工技术.2003(8).65-67.