一种薄板类零件加工方法的优化

陈磊+夏凯+刘兰波

摘 要：本文论述分析了航天某型号铝合金盖板类零件的技术要求和结构工艺性，设计装夹工装，制定了合适的数控加工工艺。重点解决了薄壁盖板原有加工的工艺问题和工件加工定位不稳定的现象，避免了因此类工艺缺陷引起的加工质量问题。此外根据优化的加工工艺选用MasterCAM软件进行了自动编程，实现了该零件的高精度加工。

关键词：薄壁盖板；装夹工装；数控工艺

中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0072-02

1 零件的技术要求和结构工艺性分析

1.1 零件的技术要求

图1为成型后的薄板零件图，该零件材料为硬铝2A12-T4，属于典型的薄壁盘类结构，该零件对制成品的平面度、表面粗糙度和尺寸精度有一定要求，零件表面的粗糙度要求为Ra1.6，正反两面平面度均为0.1mm，孔之间的位置精度为0.1mm。最大外形为126mm×2mm，加工成型后最小壁厚只有0.5mm，易变形。

1.2 原有加工方案及产生的问题

1.2.1 原工艺方案

对于该零件的加工，其原有加工工艺为五个工步，涉及到普通铣床、钳工、数控铣床、线切割4个工种。（工艺路线表）如下：

铣床：铣外形为135mm×135mm

钳工：点孔

钳工：钻孔、攻丝

铣床：铣4扇形凹面

线切割：线切割加工外形至尺寸

1.2.2 工艺问题

上述工艺方案，零件在多道工序中流转，铣床二次加工，多次的装夹和定位找正，不仅浪费了大量的时间，而且零件的尺寸精度以及加工面粗糙度都较差，无法满足大批量产品生产的质量要求和均衡稳定的生产，同时该工艺过程涉及多道工序和多台加工机床，因而加工成本较高，效率不高。

1.3 原因查找与工艺分析

（1）该零件属于批量生产的零件，因此加工成本和生产效率必须要考虑。

（2）零件的对称度要求为0.1mm，这样的要求不算高，但是实际加工出来的零件往往超出范围。通过仔细分析后，得出该超差的主要原因有两个方面：一方面是加工工序过多，累计误差过大。另一方面是线切割的加工基准和前道工序基准不统一。因此按照上述原工艺方案加工的零件无法完全保证零件的精度要求。

2 数控工艺与编程技术解决方案

2.1 零件加工的总体解决方案确定

针对上述问题，我们再次认真分析了该零件的结构特点、尺寸和精度要求后，根据我单位的现有加工能力对该产品的加工工艺过程进行了大胆的优化。

首先通过研究分析重新确定了零件的毛胚尺寸，设计了一副工装夹具，使零件在加工过程中镶嵌在工装中，不再受到相对的夹持力作用，减小了因装夹产生的变形量。 同时只使用数控加工中心进行加工，一次性把零件加工成型，这样就取消了钳工和线切割两个工序，达到了一次装夹一次成型的目的。不仅大大提高加工效率，还避免了累积误差造成的质量和精度差等问题。优化后的工艺过程大致如下：

①外形 130mm×130mm×2mm；②装入夹具，点孔、钻孔、攻丝；③铣4扇形凹面至尺寸；④铣外形轮廓至图纸要求；⑤修棱边去毛刺，送检、入库。

上述方案的总体思路是：该零件属于比较典型的薄壁盘类零件，为了避免重复以前问题，要尽量做到工序集中，而使用数控加工中心就是这一体现。

2.2 装夹方案的解决

2.2.1 装夹方式

数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，要求有以下两点：（1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性。（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。

2.2.2 夹具的选择

对夹具选择的基本要求：（1）为保持零件安装方位与机床坐标系及程编坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。（2）为保持工件在本工序中所有加工要素一次完成，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要使夹紧机构的元件尽可能低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。（3）夹具的刚性与稳定性要好。尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计，要特别注意不能破坏夹具或工件定位精度。

综合以上基本要求，设计了如下的装夹工装（如图2所示），将其安装在工作台的台虎钳内，通过夹具的四块压板夹紧工件。

3 加工型腔的数控加工程序总方案

该零件的数控加工程序是基于软件MasterCAM生成的。该软件无须画出实体，只需按1：1正确画出要加工的轮廓线，选择适当的刀具路径和参数即可生成用于加工的程序。

3.1 刀具及切削参数选择

刀具的选择根据零件材料，选择整体硬质合金立铣刀，双刃，大螺旋角，刃前空间大，耐磨，成本低。经过实践发现该刀具非常适合铝材的高速加工。对具体的参数选择，主轴转速：5000rpm，切削速度：300mm/min，并按需要在实际操作中加以调整，确保加工质量和精度要求。

该零件的加工主要分2步进行，分别为毛坯加工和外形及型腔加工，包括：点孔、钻孔、攻丝、铣4扇形凹面至尺寸，铣外形等加工步骤。该零件的加工，数控程序的中心设在工装左侧顶点，安全高度在零件表面上方20mm处。

3.2 零件加工过程

3.2.1 毛坯加工

该加工工序主要是去除大余量，并为后工序精加工打好基础。所以结合本单位设备的实际情况，选择成本低的普通机床加工。通过该工序加工的坯料能够装入对应的工装。

3.2.2 精加工

把零件镶嵌在工装内，由于零件属于薄壁零件，容易变形，所以在夹紧工件时压板应均匀分布，并且夹紧力大小应适当，以防破坏工件的定位或使工件产生变形。实际操作时采用力矩扳手紧固压板螺钉，确保工件受力均匀一致。然后根据工艺顺序一次性完成零件的全部加工。需要注意的是：（1）下刀方式：要采用螺旋下刀，可以改善进刀时的切削状态，保持较高的进刀速度和较低的切削负荷。尽量减少剧烈变化，以免引起零件振动。要注意的是加工底面时，不能一次加工到尺寸，以免铣到侧面时吃刀量增大，造成弹性变形。（2）零件的外形是最后完成的，而且不能像线切割那样直接把零件从板材上切削下来，要预留下0.05 -0.07mm的余量，使零件与外框还有连接性，这样就避免了产品在加工完成时，刀具与工件间产生不可预期的接触，影响零件加工质量的震动，见图3。

4 零件的自动编程

本加工零件的表面工步较多，包括点孔、钻孔、沉孔、攻丝、铣加工，加工精度要求高，且各加工要素间有很多的相互位置精度要求，采用零件的自动编程是十分必要的。

首先，進行零件的二维造型，在零件造型时要注意：一是对有公差标注的尺寸需按尺寸中的值进行绘制；二是根据数控工艺的编制确定正确的原点位置，即加工的编程原点，为后续编程作准备。其次进行二维加工零件的刀具路径确定，在零件有刀具路径设定完成后，可对零件进行模拟加工，验证刀具路径的正确性。最后，再根据加工中心的数控系统选择相应的后处理软件，生成零件加工程序，通过分布式网络数控系统DNC传输至相应的机床进行数控加工。

5 结语

按上述优化后加工工艺方法，结合多次上机加工实践，已确认用优化后的工艺加工该种薄壁盘类零件，完全能够达到图纸所要求的尺寸精度和形位公差，而且在批量加工时质量稳定性较好，尺寸精度和形位公差的一致性也非常好，完全满足型号产品的需要，而且大大提高了生产效率。