針對某大型薄板類零件的加工進(jìn)行研究，設(shè)計制造出適合該零件加工的夾具，該夾具能夠使操作人員快速裝夾零件、提高效率并減小加工誤差。采用高精度數(shù)控探頭對裝夾后的大型薄板零件進(jìn)行檢測，提取不同區(qū)域的深度尺寸，獲得零件的真實裝夾狀態(tài)，采用計算機(jī)VB6.0軟件編制數(shù)控轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)控程序進(jìn)行處理，對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控程序的加工深度根據(jù)裝夾情況進(jìn)行修正，從而減小裝夾誤差對零件加工質(zhì)量的影響。通過進(jìn)行大量的工藝試驗和改進(jìn)工作，摸索出了加工該零件較合理的切削參數(shù)，可以在刀具耐用度高的情況下，提高生產(chǎn)率，節(jié)約生產(chǎn)成本，解決了該類薄板零件加工和質(zhì)量控制的難題。
1 序言
航空航天工業(yè)產(chǎn)品和軍工產(chǎn)品以及醫(yī)療器械上普遍采用薄板零件，其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，精度要求也不太高，但由于剛度較差，在裝夾過程中和切削力的作用下，易產(chǎn)生變形，造成尺寸超差和零件銑穿現(xiàn)象，而且加工效率低，工序繁多，特別是鉗工校平零件時間較長，容易返工。
近幾年來隨著計算機(jī)軟、硬件水平的發(fā)展，計算機(jī)和有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及優(yōu)化理論相結(jié)合，綜合應(yīng)用于工件切削加工中的變形分析，可迅速、準(zhǔn)確、合理地確定切削加工的工藝參數(shù)，在一定程度上解決經(jīng)驗法確定工藝參數(shù)存在的問題[1]?，F(xiàn)通過對薄板零件的加工進(jìn)行研究，希望找到一種普遍的加工方法，可以促進(jìn)薄板類零件切削加工技術(shù)的發(fā)展，保證加工質(zhì)量，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和加工周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。
2 薄板類零件數(shù)控銑削加工存在的問題
薄板類零件結(jié)構(gòu)簡單、體積較大，相對剛度較低，加工工藝性差。在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，易發(fā)生加工變形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工變形和加工效率問題成為薄壁零件加工的重要約束[2，3]。
圖 1 所示為一個長 1500mm 、 寬 700mm 、厚度為 4mm 的銅板，需在該銅板上加工一系列深 3mm 的螺旋槽。工藝安排為：下料（ 1500mm × 700mm × 4mm 金屬板）→校平（0.8mm以內(nèi)）→時效→粘接→加工壓板螺栓孔→校平（0.3mm以內(nèi)）→數(shù)控加工→鉗工（包括噴砂、打磨表面等）→彎曲（壓彎成形）→檢驗。
圖1 銅板
在加工該薄板零件時，零件會發(fā)生扭曲或者翹曲，而且這些變形是一種無規(guī)律的變形，有很大的隨機(jī)性，在加工后零件變形嚴(yán)重，不能滿足需求。
3 薄板類零件裝夾方式的改進(jìn)與優(yōu)化
3.1 真空吸盤的改進(jìn)
根據(jù)大型薄板類零件夾具的設(shè)計思想，設(shè)計出了原始的真空吸盤（見圖2），將吸盤各個零件連接起來裝夾完成后，發(fā)現(xiàn)存在下面的問題：①當(dāng)零件不平時，很難將零件裝夾平整。②受零件外形的影響，不易將零件裝夾在合適位置。③零件裝夾時，裝夾速度慢，有時需要等較長時間真空泵才能達(dá)到飽和。針對以上問題，對真空吸盤做了相應(yīng)的改進(jìn)。
圖2 改進(jìn)前的吸盤示意
真空吸盤原來由一系列的小孔組成，改為將孔與孔之間用銑刀銑通（見圖3），比其他表面稍微低0.5mm。這樣一方面是孔很難被堵住，另一方面，真空吸盤在吸的時候是一個整體，由點(diǎn)接觸改為面接觸。改進(jìn)后效果明顯，改進(jìn)后的真空吸盤實物如圖4所示，其裝夾工件如圖5所示。
圖3 改進(jìn)后的吸盤示意
圖4 改進(jìn)后的真空吸盤實物
圖5 改進(jìn)后真空吸盤裝夾工件
3.2 對裝夾不平的處理
由于整張薄板是凹凸不平的，無規(guī)律可循，所以采取有限元思想將其化整為零。如圖6所示，將整張板分割成無數(shù)小塊，對于每一個小塊來說，當(dāng)其分割越小，平整度就越高。
圖6 平板分割示意
3.3 對裝夾狀態(tài)進(jìn)行檢測
使用數(shù)控機(jī)床自身的測頭，根據(jù)加工需要對零件不同位置進(jìn)行檢測，獲取零件在裝夾狀態(tài)下的真實狀態(tài)，并記錄檢測數(shù)據(jù)。
4 刀具、切削液及切削參數(shù)的選取與優(yōu)化
4.1 刀具選擇
根據(jù)薄板零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝特點(diǎn)，加工刀具齒數(shù)不宜太多，一般選擇2～3齒，刀具的幾何參數(shù)應(yīng)從減小切削力的角度選取，宜選用前、后角大的刀具；螺旋角應(yīng)在30°～45°，螺旋角過大會增加軸向力，而螺旋角過小則會增加排屑難度。最終所使用的刀具如圖7所示。
圖7 加工刀具
4.2 切削液選取
在加工過程中，試驗了各種切削液，發(fā)現(xiàn)使用煤油可以減少毛刺的產(chǎn)生，而且對夾具的影響比較小。
4.3 切削參數(shù)的選擇和優(yōu)化
加工該零件時采用高速銑削。通過試驗，將轉(zhuǎn)速限定在15000r/min左右時，噪聲較?。ㄅc機(jī)床等因素有關(guān)），且刀具不易折斷。在轉(zhuǎn)速為15000r/min時，選擇進(jìn)給量為0.05mm/r，折合每分鐘進(jìn)給為750mm。該零件有些位置的加工深度為4mm，切削深度應(yīng)選擇一次加工到深度。
5 走刀路線處理及數(shù)控程序轉(zhuǎn)換與優(yōu)化
5.1 編程時對走刀路線的處理
高速銑削時，不僅要求高轉(zhuǎn)速，還要求有較快的走刀速度。編程時需盡量將程序處理成適合高速銑削的程序，而且在加工過程中應(yīng)使機(jī)床處于放松狀態(tài)，即X軸和Y軸不進(jìn)行自鎖，這樣機(jī)床才可以平穩(wěn)動作。
5.2 數(shù)控程序轉(zhuǎn)換與優(yōu)化
根據(jù)上述將薄板分割成無數(shù)小塊的思路，在加工時對于每一小塊可以采用一個深度，對于其他小塊，如果深度有變化，可采用局部斜線銑削的方式，這樣對于整張薄板來說，存在一些斜線過渡部分，但相對于表面的深度有了很大改善。使用數(shù)控測頭檢測不同分割部位深度，將檢測結(jié)果采用VB6.0編制數(shù)控轉(zhuǎn)換程序，程序處理流程如圖8所示。
圖8 數(shù)控程序處理流程
該薄板零件采用的具體加工方法為：①按照常規(guī)方法，將零件裝夾在真空吸盤上,盡量保持大面積平整。②將零件裝夾好后，采用數(shù)控測頭進(jìn)行測量，對整個零件劃分區(qū)域進(jìn)行測量。③所有程序執(zhí)行完畢以后，將機(jī)床中生成的文件傳到計算機(jī)中，作為刀具補(bǔ)償文件。④在計算機(jī)中事先編制好該零件的加工程序。⑤啟動用VB6.0編制的程序，進(jìn)入登錄界面，打開提前編制好的數(shù)控程序，選擇剛剛由測量生成的數(shù)據(jù)，作為刀具補(bǔ)償文件。⑥設(shè)定轉(zhuǎn)換后數(shù)控加工程序需要保存的位置和名稱，單擊完成即可生成數(shù)控加工程序。⑦使用剛才轉(zhuǎn)換后的數(shù)控加工程序進(jìn)行加工。
隨機(jī)選擇一個安裝的零件測量安裝誤差，并通過該程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的程序如下。
%
N3 GOG40G49G80
N4 M6T2
(D=2.5 XD)
N5 GOG90G54 X507.75Y345.786S6500M3
N6 G05.1Q1
N7 G43H2Z20.0M8
N8 Z3.0
N9 G1Z-3.4F50
N10 X506.951Y345.801F420
N11 X501.454Y345.972
N12 X495.959Y346.216Z-3.5
N13 X490.468Y346.534
N14 X484.982Y346.925
N15 X479.502Y347.391
N16 X476.124Y347.724
N17 G2X473.881Y350.458R2.5
N18 X476.112Y352.699R2.5
N19 G1X472.41Y352.229
N20 X466.96Y351.491
N21 X473.088Y350.28
N22 X469.249
N23 X467.329Y350.116
N24 X466.96Y351.491
N25 X461.522Y350.666
N26 X457.66Y350.0
N27 X463.107Y349.235
N28 X468.563Y348.546
N29 X474.029Y347.931
N30 X476.124Y347.724
N31 G2X473.881Y350.458R2.5
N32 X476.112Y352.699R2.5
N33 G1X483.342Y353.448
N34 X488.821Y353.928
N35 X494.306Y354.323
N36 X499.797Y354.633
N37 X505.543Y354.867Z-3.4
N38 G3X508.685Y356.455R4.25
N39 G2X511.392Y358.002R4.25
N40 G1X522.0Y358.046
N41 G2X525.319Y356.45R4.25
N42 G3X528.482Y354.857R4.25
N43 G1X532.786Y354.699
N44 X538.278Y354.411
N45 X543.765Y354.038
N46 X549.246Y353.58
N47 X554.719Y353.036
N48 X557.779Y352.683
N49 G2X559.976Y349.913R2.5
N50 X557.741Y347.711R2.5
N51 G1X560.419Y347.979
N52 X565.883Y348.599
N53 X571.339Y349.295
N54 X576.34Y350.0
N55 X571.077Y350.887
N56 X565.636Y351.689
N57 X569.11Y350.429
N58 X567.079Y350.23
N59 X565.636Y351.689
N60 X564.825Y349.661
N61 X560.338Y350.51
N62 X565.636Y351.689
N63 X560.183Y352.405
N64 X557.779Y352.683
N65 G2X559.976Y349.913R2.5
N66 X557.741Y347.711R2.5
N67 G1X554.946Y347.432
N68 X549.466Y346.961
N69 X543.981Y346.563
N70 X539.165Y346.279
N71 G3X532.519Y343.2R10.0
N72 G1X526.774Y337.179
N73 G2X519.539Y334.082R10.0
N74 G1X512.0
N75 G2X508.705Y335.648R4.25
N76 G3X505.543Y337.211R4.25
N77 G1X500.94Y337.355
N78 X495.445Y337.599Z-3.5
N79 X489.954Y337.914
N80 X484.468Y338.3
N81 X478.987Y338.759
N82 X473.513Y339.289
N83 X468.046Y339.892
N84 X462.588Y340.568
N85 X457.139Y341.317
……
M30
6 加工方法推廣
采用此方法加工完成該零件后，各項指標(biāo)都達(dá)到了要求，證明了試驗方法和結(jié)論的正確性。后來又利用該方法完成了其他零件（見圖9）的加工。該零件也屬于薄板類零件，基于成功經(jīng)驗，重新設(shè)計了加工該零件的夾具（見圖10），采用同樣的加工方法，也生產(chǎn)出了合格的零件。
圖9 其他零件
圖10 零件夾具
7 結(jié)束語
本文基于高速銑削技術(shù)，通過一系列研究工作和工藝試驗，減少了零件的裝夾變形和加工變形，并對變形進(jìn)行有效控制，提高了加工質(zhì)量和加工效率。主要得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論。
1）設(shè)計制造出了適合大型薄板類零件加工的夾具。即通過對真空吸盤的設(shè)計，改變夾緊力的數(shù)目，將集中夾緊改為分布夾緊，避免局部變形過大，減小夾緊變形并使工件變形均勻化，這樣使零件很容易貼合在工作臺或者夾具表面上，零件的裝夾變形誤差更小，由原來1mm降到0.4mm左右。
2）在加工前引入了數(shù)控測頭和計算機(jī)處理程序，該程序直接對裝夾變形誤差進(jìn)行處理，從理論上減小裝夾誤差的影響，使零件底面加工深度一致。
3）對加工參數(shù)及數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，修正刀具路徑。生成刀具路徑時事先考慮工件加工變形及其回彈量，通過修正或補(bǔ)償?shù)毒呙x路徑，減小或消除變形回彈誤差，減少了加工過程中加工變形的影響，提高加工速度和生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。
4）通過上述一系列的工作，零件的加工質(zhì)量有了很大的提高，原來存在的底面銑削深度不一致的情況得到很大改善。在沒有進(jìn)行改進(jìn)以前，加工深度波動量為0.7～1.5mm，在極限情況下甚至將零件銑穿。改進(jìn)后，加工深度波動量為0.1～0.15 mm，解決了大型薄板零件加工質(zhì)量難以控制的問題，使加工效率大幅提高，生產(chǎn)成本大幅降低，節(jié)約了人力和物力，提高了企業(yè)的競爭力。
