一種V型大薄板零件銑削加工工藝研究*

郭磊磊, 孫 文, 胡強輝, 朱新波, 田 衡

(1.西安石油大學,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品支座、飛機機翼、航天器支架等重要場合,但其體積大,需要去除材料多,加工過程中需要耗費大量的人力、物力、財力。因此,這類零件在加工前,工藝人員必須要全面考慮加工風險。在銑削加工過程中,薄板類零件由于壁薄、剛性差、強度低,極易受振動、切削力和夾緊力等的作用影響而產生應力變形,難以滿足尺寸精度、形位公差和表面質量要求[1]。因此,在加工此類零件的過程中,除了考慮零件的加工工藝之外,還要充分考慮加工過程中可能引起變形的各種因素,需對零件的加工過程做一個綜合性的評判,以避免零件在加工過程中由于某個變形因素未作充分考慮而導致零件報廢。筆者對一種V字型開放形式大薄板進行研究,通過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,對同類零件的批量生產具有較高的參考價值。

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,對于薄板件來講,為了不使薄板零件“弓起”,加緊加工過程中應盡量減小垂直于大面法向的夾緊力。因此,針對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]。在實際加工場合中用的最多的是壓板壓緊零件,該方式可在加工區域增加壓板數量,在非加工區域減少壓板數量,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、進給量這三個要素組成[4]。對于薄板類零件而言,切削深度、切削速度、進給量的數值以及所選刀具的尺寸越大,銑削時零件振動越大,銑削完畢后零件內應力越大。零件后期變形越大,因此,在提高零件加工效率的基礎上必須綜合考慮零件各個切削參數對切削效率的影響作用。

1.3 熱時效的影響

不同材料的去應力熱時效的方法各種各樣,文中論述所涉及的材料為2A12鋁合金。而影響零件尺寸穩定性的主要因素有殘余應力的大小和微觀組織結構的穩定性。研究表明,2A12鋁合金經過固溶時效再熱時效后殘余應力增大、組織錯位較小、尺寸穩定性差,但是該合金經過循環處理后殘余應力較小、組織細化、尺寸穩定性好[5]。由此可見,文中所用2A12鋁合金在機械加工過程中可以穿插進行循環熱處理以消除內應力。

2 V型大薄板零件銑削工藝路線分析

2.1 毛坯料及設計圖紙要求

圖1為典型的電子產品支座,它采用V字型開放形式,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,采用常規的加工工藝時其大面平面度僅能達到0.8～1 mm[6],無法滿足設計平面度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,為減小加工時裝夾次數,此次加工采用五軸雙轉臺機床,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所示的方式進行粗刨?？紤]到零件定位和變形,根據零件形狀,首先在B位置銑通孔并銑壓板位置,后續作基準使用。然后進行一次粗刨,各面預留5 mm余量,兩邊預留壓板壓緊的筋板,筋板同時起到“固定”零件加強筋作用,以防止側筋和底面變形,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,且內應力大,因此為了消除內應力,可以采用循環熱處理的辦法對零件進行熱處理。

為了后續方便裝夾,在粗加工工序后,一般先選擇對面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,對于此類薄壁零件,半精加工一般預留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的中間面和另一側的加工成型。

加工完面Ⅰ后,后續工序有兩個主要點值得注意。首先,零件背面已經成為V字型,在加工時必須制作工裝來保證機床主軸與面Ⅱ垂直。其次,面Ⅰ已經成型,零件精加工時邊沿厚度為1.5 mm,僅靠邊緣壓板難以減小零件加工過程中的振動。

為了解決以上問題,制作專用工裝,結構如圖4所示。首先,作沉孔用于嵌入面Ⅱ圓臺,沉孔內作定位銷釘孔以保證零件與機床的相對位置。然后,設壓緊孔三組,用于安裝固定壓板的雙頭螺柱;設工裝壓緊槽兩處,用于固定工裝在機床上的相對位置。

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,共設壓緊位置(D/E)、F、(G/H)三組,其中D、E兩組壓緊位置在加工1.5 mm薄面時交替使用,F在4個圓臺頂部及孔加工完畢時螺栓加固零件與工裝之間的相對位置使用,G 、H位置是除了加工中間面時全程使用的壓緊位置,在精加工中間孔時,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,由于零件為軸對稱零件,因此加工同一面掉頭過程不在加工工藝流程圖中體現。

圖6 加工工藝流程圖

該加工工藝適用于V字型開放形式鋁板且此類鋁板表面上必須含有若干通孔。

3 加工過程的注意事項

3.1 零件邊緣走刀軌跡優化

對于加工面Ⅱ的走刀軌跡來說,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,零件邊緣僅有1.5 mm厚,零件容易受各種變形因素影響,通過重復試驗發現,由內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,優化后的走刀軌跡詳如圖7所示,且通過實踐發現這種走刀方式能較好地保證零件尺寸。

圖7 優化后的走刀軌跡示意圖

經過重復試驗發現這種V字型薄板的尺寸極容易受進給量、主軸轉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為:進給量F=600、主軸轉速S=3 000、刀具直徑φ10,走刀路徑為由內向外。

3.2 加工過程仿真

針對這種大型零件,在五軸加工時要特別注意數控程序仿真,零件在加工時編程軟件的后置處理必須預先設置好。五軸機床在坐標變換的時候有兩種形式,一種是第一旋轉軸正向旋轉求解,另一種是第一旋轉軸逆向旋轉求解,當第一旋轉軸與預期轉向相反時,第二旋轉軸會轉動使零件被加工平面旋轉180°且與主軸垂直,如圖8所示為機床運動學關系。

圖8 機床運動學關系示意圖

如上所述,機床空間不夠時,會發生零件與機床其他部位碰撞。以ITNC530數控系統為例,調用PLANE SPATIAL語句使坐標系由Csys1到Csys2變換時,SPB與SEQ后跟的正負號必須相同,否則機床C軸旋轉會引起零件與B軸碰撞,如圖9所示。

圖9 機床碰撞示意圖

4 零件加工結果分析

該零件的關鍵尺寸為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 關鍵尺寸實測值統計表

從零件加工結果來看,加工后的零件尺寸均能達到設計要求,但由于零件邊緣較薄,銑削時振動大,1.5±0.1 mm厚處的尺寸明顯偏小,但對于批產的大薄板零件而言,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,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,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E與D交界位置進行拋光。

尺寸5±0.1 mm、6±0.1 mm、8°±1°這三個尺寸較好控制,這里不在贅述,綜合以上加工結果來看,該加工工藝完全能夠控制批產零件的尺寸,同類薄板零件可以參考該加工工藝。

5 結 語

文中針對一種V型大薄板零件的銑削加工工藝進行研究,給出了一種能較好控制此類零件變形的加工工藝,并驗證了該工藝的可靠性。然后,給出了優化后的加工刀具路徑,并進行了數控程序運動仿真,提出了此類大型薄壁零件在走刀方式和機床坐標變換加工過程中該注意的問題。最后,分析了加工結果中的缺陷。這對于大型板類零件批產工藝具有很高的參考價值。