镜筒注塑件的机械加工工艺研究与优化

苏君，盛青山，徐树清

（1.河南工业职业技术学院 机械工程学院，河南 南阳 473009；2.中光学集团，河南 南阳 473009）

0 引言

某镜筒件属于典型的结构复杂薄壁异形塑料零件，根据塑件的材料、生产批量、结构特点、成型特性等方面综合考虑，采用注塑模加工成型。注塑模具存在多滑块抽芯，该塑料零件成型后会存在变形现象，且该塑件结构具有复杂、壁薄、异形、精度高、模具结构复杂等因素，从而导致塑件无法达到图样尺寸精度、易变形等问题。为了解决加工精度低和易变形等工艺问题，经过多次工艺方案优化，确定采取注塑模具加工镜筒件外形形状后，对精度高、易变形的局部结构采用机械精加工方案来完成镜筒件的加工[1]。本文着重论述塑件机械加工工艺改进方法。重点从塑件机械加工过程中刚性差、难定位、材料加工性能差等方面入手[2]，通过改进热处理工艺和加工工艺，制定合理的加工工艺方案，解决了该塑件加工精度低、易变形、装夹难等难题，以提升塑件的质量，从而达到塑件的使用要求。

1 塑件加工工艺问题及解决方案

镜筒零件的结构如图1、图2所示，零件的各尺寸及角度精度要求高，相互之间都有位置度要求，零件主体结构的壁厚很薄，最薄处仅有1 mm，且结构形状不规则，结构上有定位连接小孔，为提升连接强度，连接处壁厚增厚，且有凸台，因此该零件属于典型的异形薄壁件。该塑件的常规加工工艺为塑料模具加工，但是由于塑料性能、结构异形、加工工艺等原因造成塑件的变形和尺寸精度低等现象，导致塑件成型后无法满足装配要求，最后塑件无法交付。

图1 镜筒零件的CAD截图

图2 镜筒零件的三维图

为了能够提高塑件加工效率和加工精度，达到设计加工精度和装配的要求，减小塑件的变形量，经过优化加工方案设计，综合考虑注塑加工效率高、加工复杂零件的优点[3-4]，与机械加工精度高的特点，采取注塑加工与机械加工相互结合的方法，使塑件的精度达到图样要求及满足使用要求，弥补了因注塑加工所造成的塑件质量缺陷。该塑件在机械加工中存在以下问题：1）塑料零件的结构复杂、薄壁、异形，两个中心孔相互垂直，两端孔口是倾斜面，尺寸及角度精度要求高，凸台上孔直径小，对加工方法的要求高；2）塑料零件因材料具有塑性好、易变形的性能，在加工时受到切削力影响，刚度差，易产生变形，加工时振动严重，影响零件加工精度和效率；3）塑料零件的结构复杂、薄壁，小孔的位置在凸台上，凸台的壁很薄，加工时很难选择定位基准、装夹位置，造成装夹困难，影响加工精度；4）塑料零件结构复杂，尺寸多且精度高，加工过程中检测困难，影响加工过程中精度控制；5）根据加工方法和加工设备情况，采用数控铣床，在加工过程中，必须利用设备所带的第四轴（即转轴），在一次装夹下完成；采用3个螺钉压紧塑料零件，一次装夹下完成。

通过以上问题分析，该塑料零件的机械加工难度较大，需要采用最优的工艺方案来提高工件的精度和加工效率，以此来满足塑料零件的产品使用要求。

2 工艺难点及解决方案

对于该塑件在注塑成型后易变形、难以进行机械加工等工艺难点，从塑件成型后处理工艺方面来入手，目的是为了消除内应力，防止塑件在使用过程中产生变形或开裂。根据塑料的特性和使用要求，塑件可进行退火处理和调湿处理。考虑塑件的工艺特性、装配工艺和使用要求等方面，确定采取去应力退火处理工艺来减小塑件变形量。

2.1 去应力退火

塑料零件装配后，都要求进行高、低温实验、冲击实验及各项性能实验，每一个零件加工完后，都必须进行性能实验，特别是自身的质量稳定性能一定要可靠，因此要进行热处理（退火）以消除零件内部残余应力，进行高、低温处理以保证零件内部稳定性。

在实际生产中对金属零件的热处理（退火）、高、低温处理情况有所了解和掌握，但是对塑料零件的热处理（退火）、高、低温处理情况在生产实际中使用较少，经验不足。先从理论依据分析入手，借助于热处理材料手册及塑料件（PPS+40%玻纤）热性能分析得知，经过处理后，材料能够满足冲击实验及各项性能实验的要求，并通过生产试验确定热处理（退火）、高、低温处理工艺，制定了详细的热处理方案：1）聚苯硫醚（PPS+40%玻纤）材料退火工艺规范。退火时，预热升温至（170±5）℃，保温2 h，退火时间达到后，必须随炉缓慢冷却。2）聚苯硫醚（PPS+40%玻纤）材料时效（高、低温）工艺规范。高温时效温度为（70±5）℃，低温时效温度为（-55±5）℃，高温、低温时效保温时间每次各为1 h，中间转移时间不允许超过40 s。时效顺序为：高温时效→低温时效→高温时效→低温时效。

2.2 孔、角度的加工

从图1可以看出，该镜筒件各尺寸及角度精度要求高，孔与孔之间的相对位置度要求高，零件壁薄，最薄处为1 mm，对于这种结构复杂并且相互之间都有关联的零件，不能靠传统的方法加工，这样无法保证尺寸精度，必须选用数控铣；此类塑料零件的加工是第一次遇到，在加工过程中，很容易产生变形，怎么去控制振动对零件精度的影响；还有加工时基准面的选择、夹具的设计与制作都是很关键的。综合考虑实际加工水平，优化加工工艺方案，具体工艺方案如下。

1）制定工艺路线。利用塑料零件上成型的3个M3过孔,用3×M2.5螺钉把零件固定在专用夹具上，夹具先装在设备转盘上，以零件上基准面B及两个宽2 mm凸台定位，通过数控编程，自动旋转转盘，一次加工各面、孔、角度，全部尺寸到位（各加工面都预留有预量），工装图如图3所示。

图3 工装图

2）加工效果。由于塑料件在注塑成型后，基准面B变形，不平整，有高、低不平现象，因此加工后零件存在回弹现象，造成尺寸精度无法保证，达不到设计要求。

3）工艺改进措施。先把基准面B铣平整，减少尺寸误差，从而提高加工时的定位精度；首先利用辅助基准，先加工出所用基准面B，再一次加工其他部位；并调整设备参数，尽可能慢走刀，高转速，加工出的表面粗糙度低，以此来满足后续工艺定位基准要求。

通过修改模具，让基准面B有能加工出来的预留量（大约有0.2 mm），再增加一道数控铣工艺，通过专用夹具，用中心孔、定位销6定位，用压板5压紧，用螺钉4紧固，避开两个宽2 mm凸台，把基准面B铣平。加工工装如图4所示。

图4 加工工装示意图

4）改进后加工效果。由于采用专用夹具，采用在空间处填补一些泡沫的方式来防止振动对零件精度的影响，提高基准面的精度，零件精度尺寸及形位公差得到了完全的保证。

5）创新点。采取专用工装，第一次加工基面，第二次通过一次装夹就能全部加工完成，减少了多次加工所带来的定位误差，提高了塑料零件加工精度。

3 塑料零件加工检测分析与确定

塑料零件的尺寸精度高，相对位置尺寸多，加工过程中零件不好检测，各孔的测量可以利用量规进行检测，相对位置尺寸就难以检测。如利用三坐标测量仪进行检测，效率较低，不利于现场检测，因此需找到合适的测量方法。

通过对零件性能详细分析与研究，考虑零件结构复杂、壁薄、易变形、精度高、难定位等特性，需要设计出辅助检测工装。检测工装结构如图5所示，利用标准角度测量块3，在现场即可直接检测角度误差。采用检测辅助，可以实现边加工边检测，实时监控加工精度和效果，测检结果很直观、准确，操作简单、节省时间、提高效率。

图5 检测工装图

4 加工效果

通过采用预留机械加工余量、去应力退火、泡沫填充装夹、设计专门检测工具等工艺优化方案，实现了薄壁塑料零件的机械加工。加工后的塑件壁厚均匀，同时满足最薄壁1 mm的精度要求，孔和转角的尺寸精度都符合装配要求，通过进一步加工，成品可直接投入装配使用。采取专用工装，第一次加工基面，第二次通过一次装夹就能全部加工完成，减少了多次加工所带的误差，也实现了塑料零件加工的可能。

5 结语

薄壁镜筒塑件的精密加工工艺方案在机械加工中易于实现，大大提升了加工工艺性，成效明显，针对各类薄壁塑件的机械加工有很好的借鉴作用。得到以下结论：1）设计了塑料PPS热处理（退火）工艺及高、低温处理工艺；2）实现了工艺的突破和经验的积累，为今后的注塑零件的加工打下基础；3）采用专用夹具，通过一次装夹，就能全部加工完成，减少了多次加工带来的误差，提高了加工效率；4）采取检测辅具，并利用标准角度块进行检测，操作简单，提高了检测效率。