激光切割機切割頭支架的加工工藝研究*

陳祥林，郭秀華

(1．蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104；2．蘇州經貿職業技術學院，江蘇 蘇州 215009)

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激光切割機切割頭支架的加工工藝研究*

陳祥林1，郭秀華2

(1．蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104；2．蘇州經貿職業技術學院，江蘇 蘇州 215009)

針對激光切割機切割頭支架加工精度不穩定問題，分析得出當前設備和夾具是產生加工誤差的主要原因；通過更換加工設備和專用夾具，使得產品合格率提高到97%，加工成本降到原來的61%，減少了對高性能機床的依賴，極大提高了經濟效益, 且在同類零件加工中具有一定的推廣價值。

加工中心；夾具設計；加工工藝；激光切割機

0 引言

激光切割機是一種新型的切割工具，采用不可見的光束代替傳統的機械刀，具有切割速度快，加工精度高，加工成本低等特點。切割頭支架(以下簡稱為支架)是組成激光切割機的關鍵部件，其加工與組裝精度直接影響到切割的精度。蘇州某激光有限公司有多年的激光切割機生產經驗，支架零件的月需求量在200～300件之間，因受公司設備工藝的限制，一直采用外包的生產方式，但支架零件精度不穩定，加工費用昂貴。為提高經濟效益及支架質量穩定性，公司決定優化加工工藝的方法，完成該支架零件的加工。本文通過對機床、夾具、刀具等方面進行分析與研究，提出了解決該問題的有效辦法。

1 支架加工技術分析

圖1 支架零件圖

圖2 毛坯零件圖

根據市場鋁材的規格，支架毛坯選用70mm厚度的LY12板材，經鋸割后的尺寸為226×185×70mm, 用銑床銑削六個平面尺寸到216×180×68mm，制作4個工藝孔[2]，如圖2所示，再采用四軸加工中心完成，原加工工序如表1所示。

表1 支架原加工工序(四軸加工中心)

由表1可見，前期制作的毛坯利用4個吊緊螺絲通過制作的工藝孔固定于如圖3所示的夾具上，在四軸加工中心A軸的轉動下，能夠完成支架各部位的加工[3-4]，主要加工工序分為三個階段。

(1)A=0°

在第四軸A=0時，利用端銑刀完成外輪廓的粗精加工，再用定位鉆、鉆頭和絲錐完成5個M6螺紋的加工。

(2)A=45°

(3)A=180°

在第四軸A=180°時，主要是利用定位鉆和鉆頭完成剩下的3個M6螺紋的底孔加工，為手動攻絲完成最后的工序做好準備。

2 影響因素分析

圖3 四軸裝夾加工狀態圖

通過以上三個環節，利用四軸加工中心能夠完成支架零件的加工。通過對原加工工序及檢測數據分析，得出以下兩個方面是影響加工精度的主要因素：

(1)如圖3所示，受支架零件本身結構的影響，夾具安裝于A軸轉臺，沿著A軸方向尺寸越長，轉臺的轉動精度及剛性對加工精度的影響會隨之放大；

(2)A軸轉臺依靠三爪卡盤夾緊夾具，三爪卡盤使用久了，隨著卡盤的磨損三爪會出現喇叭口狀，三爪也會慢慢偏離A軸轉臺中心，由夾具影響到支架，造成支架的形位公差增大，精度難以保證[6]。

3 支架夾具設計及加工

綜上所述，在原方案中，支架零件在四軸加工中心上能夠完成加工，但加工誤差難以避免，且目前該公司只有兩臺三軸的加工中心，不具備四軸加工能力，如在現有的立式加工中心上完成該支架的加工，需從工藝著手提出新的加工方案，以解決該項加工難點。

圖4 新工藝夾具零件圖

經過研究，新工藝在A=0°和180°時采用精密機用平口鉗裝夾，在A=45°時，需設計專用夾具來實現。此處有兩個問題需要解決，一是支架的半成品夾具設計定位問題；二是支架半成品的工件坐標系設定及對刀問題[7]，參考支架在四軸上的加工狀態，設計了如圖4所示的夾具[8]，該夾具左右兩側設置了壓板槽，可利用壓板固定于加工中心工作臺，夾具實物如圖5所示，設置了兩個側面(定位面Ⅰ、定位面Ⅱ)作為定位面，與支架半成品已加工的臨近兩側面對應，4個螺絲吊緊固定，夾具的左前點作為對刀位置，按照圖3中的尺寸，只要加工前對刀時輸入夾具和支架相應的數據(在夾具設計之初考慮)就能完成工件坐標系的設定，實現數控裝置的自動加工[9]。

夾具毛坯材料采用Q235，具體加工工序如表2所示,先將夾具毛坯放置于90°的V型鐵中，再用精密機用平口鉗夾持毛坯的兩個側面，完成45°面、A面、定位面和螺紋孔的加工。需要加工的45°斜面基本處于水平狀態，保證了該斜面的加工精度和表面質量，即使V型鐵存在誤差，也影響不了A面與45°面的夾角精度[10]。其次，利用已加工A面定位，平口鉗夾持兩側面，完成B面加工；最后，平口鉗夾持A、B面，完成壓板槽的加工。

表2 夾具的加工工序

4 對比分析

兩種加工方案比較，主要有以下幾點區別：

(1)原方案中設備采用了四軸加工中心，新方案根據支架結構制作了新夾具，采用了常規的三軸加工中心，減少了對高性能機床的依賴。如圖6所示，支架在三軸加工中心加工狀態圖。

圖5 夾具實物圖 圖6 支架加工圖

(2)新方案利用了公司閑置機床，盤活了固定資產，原外包單個支架零件加工費用為1380元，現公司自己生產，成本僅為850元，此項每年為公司綜合節約資金約150萬，有效提高了經濟效益。

(3)因公司采用專人生產，尺寸精度得到大幅度提高。經三坐標檢測，支架零件合格率達到97%，排除了外包加工帶來的精度不穩定和交貨時間難以保證等不利因素，提高了激光切割機的加工精度，使產品品質得到了保證。

5 結束語

加工工藝在生產中占有極其重要的地位，根據支架零件的特殊結構，利用三軸加工中心和夾具的組合，減少了對高性能機床的依賴。制訂了適合現有加工設備的加工工藝，不但使支架的加工精度得以保證，同時降低了生產成本，協助該企業取得較大的經濟效益，完成了既定的生產目標，保障了激光切割機的品質，在同類零件加工中具有一定的推廣價值。

[1] 宋淵．薄圓盤形零件車削加工工藝優化和夾具設計[J]．組合機床與自動化加工技術，2012(5):82-85．

[2] 吳敬,張樹偉.連桿零件加工工藝分析及鉆孔夾具設計.[J]機床與液壓,2013(6):131-132.

[3] 趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊[M].上海:上海科學技術出版社,2000．

[4] 王光斗，王春福.機床夾具設計手冊[M].3版.上海：上海科學技術出版社，2001.

[5] 郭秀華等.提高法蘭同軸度和圓跳動的應用研究[J].機械傳動，2014(11)：181-183.

[6] 陳祥林，郭秀華.減速機端蓋的加工工藝研究[J] . 制造技術與機床，2014(7)：131-134.

[7] 姚勝南，劉小娟.偏心零件的加工工藝及夾具設計[J] . 組合機床與自動化加工技術，2014(11):140-142.

[8] 王先逵. 機械加工工藝手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2007.

[9] 車璐,王宗彥,秦慧斌,等.轉杯的加工工藝研究 [J].組合機床與自動化加工技術，2013(5):120-122.

[10] 史全富.金屬切削手冊[M].上海:上海科學技術出版，2003．

(編輯 李秀敏)

Study on Processing Technology of Cutting Head Bracket for Laser Cutting Machine

CHEN Xiang-lin1，GUO Xiu-hua2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou Jiangsu 215104, China;2.Suzhou Institute of Trade & Commerce, Suzhou Jiangsu 215009, China)

Aiming at the problem of unstable machining accuracy of the cutting head bracket of laser cutting machine, Analysis shows that the current equipment and fixtures are the main reasons for the machining errors. By changing the processing equipment and special fixture, making the product pass rate increased to 97%, processing cost down to 61% of the original, reduces the dependence on high performance machine, greatly improve the economic benefit and has a certain popularization value in the similar parts.

machining center ；fixture design；processing technique; laser cutting machine

1001-2265(2016)10-0151-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.041

2015-12-17；

2016-01-24

江蘇省高等職業院校高級訪問工程師計劃(FG016)

陳祥林(1977—)，男，江蘇揚州人，蘇州市職業大學高級實驗師，碩士，研究方向為數控技術、CAD/CAM/CAE、自動控制，(E-mail)cxl@jssvc.edu.cn。

TH162；TG506

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