復雜骨架類零件數控加工工藝研究

朱 俊 胡年孫 江德鳳 劉 斌 梁紅兵

（中電科技集團 重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

復雜骨架類的結構件，一般都是儀表組件整體裝配的關鍵零部件，也是武器裝備的核心零部件。它們大都具有復雜的內部結構及較為特殊的外形，尺寸公差和形位精度很高，材料去除率經常高達90%，在加工過程中受力極易發生各種拉壓及彎扭變形。隨著武器裝備不斷向高精度、快速反應方向發展，其對骨架類零件的要求也日益提高。要滿足圖紙要求并縮短交貨周期，必須采用先進的數控機床進行加工，并依照設計要求確定合理的數控加工工藝路線及方案。

本文以復雜骨架零件為例，分析了數控加工工藝規程制定過程中遇到的技術瓶頸問題，為從事骨架類零件加工領域的工藝及操作人員提供參考方案，以提升復雜骨架類零件產品質量，提高數控設備的生產率。

1 零件圖紙分析

復雜骨架使用的材料一般為硬鋁2A12-T4，屬于鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，屬于可以熱處理強化的鋁合金，并且經過固溶時效處理。該類加工屬于單件小批量產品類型。零件的加工工藝性也就是零件可加工性及加工難易程度，零件的結構設計會影響或決定可加工的難易程度。根據數控機床切削加工的特點，人們應從以下幾方面來分析骨架類零件可加工性。

1.1 圖紙標注分析

數控程序是以精確的坐標來編制的，嚴格執行圖紙尺寸。因此，各種圖形的幾何要素間的尺寸及位置關系應標示清楚，各種尺寸及形位公差等幾何要素條件要充分標注出來，而且沒有容易引起矛盾的多余標注或影響加工順序安排的封閉尺寸標注等。

1.2 加工精度分析

雖然數控設備加工精度高，但是任何加工方法所得到的實際參數都不會絕對準確。從零件的功能看，只要加工誤差在零件圖要求的公差范圍內，就認為保證了加工精度。根據多年的工作經驗，筆者認為，對于大面積（200mm×150mm以上）的薄板，當具有大面積的厚度小于2.3mm時，人們在編制相應工藝時應認真思考加工過程各種裝夾力及銑削力產生的變形。

1.3 零件變形分析

工藝系統在裝夾力、切削力及慣性力等作用下會產生各種變形，從而打破已調整好的工藝系統各組成部分的平衡狀態，產生加工誤差，影響加工過程的穩定性。主要考慮機床導軌及工作部分變形、工件裝夾變形及受切削力變形以及工藝系統變形的總變形。被加工零件變形較大，會使加工無法進行下去，這時，應當采取必要的工藝措施，對零件進行適當熱處理，消除應力，減小變形。

2 工藝規程的制定

在大多數情況下，復雜骨架類零件的工藝路線并不是唯一的，但在一定的生產條件下，某個具體的骨架類零件總是存在相對合理的工藝方案。

2.1 工藝路線的規劃與制定

不同的骨架類零件對零件結構工藝性的要求是不同的。零件的制造，包括毛坯生產、切削加工、熱處理等生產階段，最后還要裝配，所以必須全面考慮，使零件在各個生產階段都具有良好的結構工藝性。因為加工中心能同時完成銑削、鉆孔、攻絲等多道工序，工序相對集中，機床等待的非加工時間最短，所以使用越來越廣泛。安排骨架類零件的工藝路線時，除通常的工藝要求外，人們還要重點考慮以下因素。

2.1.1 加工階段的判定

粗加工階段，骨架類零件會在較短時間內去除大部分待切削材料，導致需要的切削力和裝夾力都比較大，切削溫度也很高，將會引起骨架類零件產生較大的變形，同時因機械加工而產生較大內應力。但粗加工造成的內應力可以通過后續的熱處理來消除，變形產生的誤差也可以通過半精加工和精加工來補償，從而保證零件的最終加工質量。

2.1.2 熱處理

由于硬鋁2A12-T4，屬于鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，屬于可以熱處理強化的鋁合金類型，熱處理可顯著提高骨架零件的機械性能，改善金屬的切削性能，消除因機械加工而產生的內應力。復雜骨架類零件的熱處理工序一般會安排在粗車和銑削加工去除余量以后，進行高低溫處理，也就是高溫時效后再低溫時效，主要目的是消除材料加工后產生的內應力。對于2A12-T4硬鋁合金，一般采用冷熱處理的方法，其工藝路線為先緩慢加熱300～330℃；保溫時間60～90min；爐冷至200℃，空冷120min，之后再放入-50℃低溫箱中保冷60min。

2.1.3 表面處理

為了提高骨架零件表面的抗一般腐蝕及鹽霧腐蝕的能力和導電率等，一般需要在全部機械加工完成后增加表面處理工序，最終還需噴三防漆。對于精度及公差要求高的零件表面，表面處理后會或多或少影響其尺寸精度，所以在加工階段一般需預留一定尺寸余量給后續的表面處理，以保證尺寸精度和表面粗糙度，骨架類表面處理一般為金黃色導電氧化處理。

2.2 精度分析

準確度是指得到的測定結果與真實值之間的接近程度，而精確度是指使用同種備用樣品對骨架類零件進行重復測定所得到的結果之間的重現性、一致性。因此，測定結果有可能精密度高，但精確度是不準確的。人們一般用機械狀態、幾何指標、物理及化學等參數來判定。

2.2.1 機床精度的影響

影響加工中心機床精度的主要有機床導軌直線運動精度、主軸的高速運轉下的回轉精度以及加工復雜型面時的多軸聯動成形關系。其中，最關鍵的是主軸的回轉精度，它通常由主軸軸向竄動、徑向跳動及角度擺動等決定，基本決定了被加工零件的形狀精度。加工復雜骨架類零件的加工中心為MAZAK公司生產的LG160A設備，它的精度目前是國內機床中較好的，其各項技術參數指標都在0.001mm之內，能確保復雜骨架的加工精度滿足圖紙要求。

2.2.2 減少誤差的措施

一是補償初始誤差：制造出另一種新的、相反方向的誤差，用以抵消原先的原始誤差；二是減少初始誤差：直接對誤差進行消除或減少，這種方法被稱為原始誤差減少法，它是生產中應用最廣泛的一種減少誤差的基本方法；三是轉移初始誤差：轉移到不影響加工精度，或對加工精度影響比較小的方向及零部件上；四是均分初始誤差：根據原始誤差大小，把工件均分為若干組，然后對各組分別進行調整加工；五是裝配后加工法：采用裝配后加工的方法，能很方便地解決看起來非常困難的復雜組件精度問題。

2.3 刀具路徑

刀具路徑包括外形輪廓銑削、鉆孔、挖槽、面銑、曲面加工、多軸加工等加工操作，以及工作設定、刀具路徑轉換、管理和修改操作等。如圖1所示，加工封閉的內輪廓表面時，若內輪廓曲線允許外延，則應沿切線方向切入、切出；若內輪廓曲線不允許外延，刀具只能沿內輪廓曲線的法向切入、切出，此時刀具的切入、切出點應盡量選在內輪廓曲線幾何元素的交點處。當內部幾何元素相切無交點時，為防止刀補取消時在輪廓拐角處留下凹口，如圖1（a）所示，刀具切入、切出點應遠離拐角，可以考慮選擇中間位置，如圖1（b）所示。

圖1 加工封閉的內輪廓表面

2.3.1 加工坯料及編程原點的確定

對于復雜骨架幾何圖形外形加工走刀路線，先利用編程軟件確認最大外形尺寸，并將圖形的幾何中心移與編程原點重合，加工時以零件幾何中心找正并確認工件坐標系的原點。在加工時，需將程序坐標原點與工件坐標原點通過尋邊器感應找正的方法將二者重合。在編制加工工藝程序時，應以操作者操作方便、容易找正為出發點安排確認。

2.3.2 規劃加工刀具路徑

規劃復雜骨架幾何圖形加工刀具路徑主要包括加工順序的確認、刀具參數的設定、刀具型號的選擇、切削參數的設定。

加工路線的選擇主要應考慮：切削用量的加工中心設備參數、工藝路線、2A12-T4材料及表面處理要求等參數確認；盡量選擇較短的走刀路線，減少加工過程中的空走刀，提高刀具有效加工時間；減少數值計算，縮短程序段的數目和編程工作量；確保復雜骨架零件的尺寸、形位公差和表面粗糙度滿足圖紙的要求。

3 編程模擬及上機加工

先利用CAM軟件Mastercam模擬功能進行上機實體加工模擬，模擬無誤后方可對復雜骨架幾何圖形進行實際加工中心生產制造，以最大限度地減少廢品的產生及時間的浪費，提高加工生產效率。Mastercam系統擁有復雜骨架幾何零件產生的刀具路徑及程序刀具路徑管理文件。它是一個EIA格式的文字文件，含有生成NC代碼的全部輔助命令、加工準備和加工指令代碼，每次加工時可以由CIMICO軟件直接調用。

4 結論

數控加工工藝設計復雜多樣，本文以典型零件復雜骨架為例，分析了數控加工技術的應用與實踐，探究了合理高效的加工方法和加工路線。這對于保證零件加工質量，提高數控機床的使用效益和武器裝備產品質量都有積極的作用。

[1]王先奎.機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]劉志剛，趙曉燕.一種薄壁殼體零件的數控加工工藝研究[J].機床與液壓，2016，44（14）：35-37.

[3]錢東東.復雜箱體類零件數控加工工藝研究[J].制造技術與機床，2007，（9）：28-30.

[4]李厚佳，周立波.面向高速切削的數控加工工藝研究[J].機械設計與制造，2010，（4）：171-173.