面輪廓度逆向尺寸控制及測量

吳涯，譚寧偉，王浩，董吉

成都凱天電子股份有限公司 四川成都 610091

1 序言

公司承接的轉包項目是為某公司加工發(fā)動機產品中的雙角度復雜薄壁機加零件（見圖1），精度要求高，產品要求基準面D相對于基準面A、B、C的面輪廓度控制在0.25mm；平面E的面輪廓度相對于基準D、A、F控制在0.25mm。前期開發(fā)投入20件零件，在數控加工完成后，測量面輪廓度，結果僅2件合格，合格率僅為10%。經過返修后，共有4件合格，合格率僅為20%。收集面輪廓度測量的數據發(fā)現，數據呈離散性，尺寸變化無規(guī)律。由于未找到影響面輪廓度超差的原因，故不能滿足客戶質量要求，未能達到50件/月的產出需求，造成客戶抱怨及投訴。

圖1 零件

2 產品介紹

零件用76.2mm厚的6061-T651鋁合金板料制成，材料標準為AMS-QQ-A-250/11，加工完成后壁厚僅為2.5mm，零件65%尺寸由空間尺寸組成，基準面A為帶4孔的側平面；基準面B為零件背面，與基準面A垂直；基準面C為上棱邊，與基準面A垂直；基準面D為4個臺階面組成的平面；基準F為右上處臺階中心孔；基準面E為右上角傾斜臺階側面。基準面B與基準面D空間角度為30°，基準面D與基準面E空間角度為125°。零件壁薄易變形，各面加工測量基準多次轉換，數控加工困難。

圖樣所有尺寸要求在表面處理之后保證，零件表面需要做兩種表面處理，基準面A、D、E上浸涂鋁合金化學氧化劑（阿洛丁600），其余零件表面浸涂鉻酸陽極氧化。表面處理完成后，必須保證基準面D、基準面E面輪廓度0.25mm的要求。平面D到第一基準面A、第二基準面B、第三基準面C的面輪廓度公差0.25mm；平面E到第一基準面D、第二基準面A、第三基準F的面輪廓度公差0.25mm。

3 面輪廓度逆向尺寸分析

（1）前期面輪廓度結果分析 零件設計無加工裝夾基準（見圖1），需要建立工藝基準，保證產品加工中多次定位裝夾基準統(tǒng)一，結合現有加工設備，前期加工工藝路線如下：備原材料毛坯→銑六方外形→銑工藝臺階與定位孔（工藝臺階與定位孔見圖2）→數控粗加工內腔、外形→數控五軸精加工內腔、外形（留二次加工基準面A、D、E加工余量）→線切割去掉工藝臺階→去除毛刺→數控銑基準面A、孔、長度→去除毛刺→檢驗→拋光→全部表面浸涂鉻酸陽極氧化→數控精加工（基準面A、D、E）→去除毛刺→基準面A、D、E浸涂阿洛丁600→印字→終檢→蓋章→包裝→入庫。

圖2 工藝臺階及定位孔

基準面A為平面D的第一基準，基準面D又是平面E的第一基準，平面E的面輪廓度包含了平面D的面輪廓度位置，必須提高平面D的面輪廓度，才能保證平面E的面輪廓度。平面D的面輪廓度由平面D位置、角度30°及4個平面D的平面度組成，平面E的面輪廓度由4處平面D和雙角度30°、125°及基準孔F的位置組成。

收集面輪廓度測量的數據發(fā)現平面D的面輪廓度為0.16～0.28mm，平面E的面輪廓度為0.23～0.42mm，面輪廓度超過0.25mm，加工后面輪廓度分解后的空間角度30°、125°的檢測數據為29°49′32″～29°58′06″、124°42′12″～125°16′34″，基準面D平面度為0.02～0.08mm。基準面A、D、E表面處理后進行了二次補充加工，因原工藝基準在陽極氧化前已去除，受薄壁機加零件變形的影響，最終加工后的基準面A、D、E的位置度發(fā)生變化，造成收集面輪廓度測量的數據無規(guī)律，呈離散性。

（2）面輪廓度逆向尺寸分析 基準面D對基準面A、B、C的面輪廓度為0.25mm，基準面E對基準D、A、F面輪廓度為0.25mm（見圖3）。通過前期面輪廓度尺寸分析，為了保證平面E的面輪廓度0.25mm的要求，基準面A到基準孔F位置影響最大，必須計算出基準孔F位置到基準面A、B的變化。基準孔F理論位置度按式Z＝2×[（X-X1）2＋（Y-Y1）2]0.5計算，其中，Z為實際位置度，X、Y為實際坐標尺寸，X1、Y1為理論坐標尺寸。

圖3 逆向尺寸分析

面輪廓度公差帶為0.25mm，假設去除角度與平面度影響，分解位置度公差帶為±0.087mm；假設角度公差帶控制為±5″，去除平面度的影響，尺寸控制公差帶為±0.07mm；假設角度公差帶控制為±5″，平面度的公差帶控制為±0.02mm，尺寸控制公差帶為±0.05mm。

理論進行逆向尺寸推算，按圖樣設定Z值為0.2 5 m m時，所需要的尺寸公差帶α為±0.087m m，逆向分析出理論上到基準面A尺寸（108.84±0.087）mm、（45.72±0.087）mm，基準面D到平面E的尺寸公差為（4.62±0.087）m m（在不考慮角度的情況下）；若角度控制在30°±5″，尺寸控制在（108.84±0.06）mm、（45.72±0.06）mm、（4.62±0.06）mm才能保證平面E的面輪廓度合格。

由于平面E的面輪廓度受平面D輪廓度影響，故平面D的平面度必須控制在0.04mm以內。

平面E空間角度受平面E與基準面D、基準面A與基準面D的雙空間角度影響，且平面E離基準面A的距離為160mm。零件壁薄影響較大，需要控制基準面A與基準面D空間角度30°±2″，平面E與基準面D空間角度變化量大，需要控制為125°±8″。

從面輪廓度尺寸逆向控制分析可以看出，影響面輪廓度的最主要尺寸為第一基準的尺寸，基準面A到基準孔F的距離尺寸（108.84±0.087）mm，基準面D的面輪廓度才能保證；由于基準面E的面輪廓度又受基準面D的影響，必須提108.84mm與45.72mm的公差，考慮角度及平面D的影響，控制（108.84±0.03）mm、（45.72±0.03）mm，平面D的平面度必須控制在0.03mm以內，才能保證面輪廓度合格。不能保證設置的尺寸公差帶，則無法保證平面E、D的面輪廓度0.25mm要求。

（3）更改后工藝路線 通過前期面輪廓度檢測結果與逆向尺寸控制分析，基準面A、D、E進行表面處理后二次補充加工，不能保證基準面A、D、E的相關尺寸、平面度和角度，造成面輪廓度超差，必須更改工藝流程。表面處理完成后，不允許補充數控加工基準面A、D、E，采用表面處理涂膠保護相關基準面，完成后采用拋光處理。更改后的加工工藝路線為：備原材料毛坯→銑六方外形→銑工藝臺階與定位孔→數控粗加工內腔、外形→數控五軸精加工內腔、外形→線切割去掉工藝臺階→去除毛刺→數控銑基準面A、孔、長度→去除毛刺→檢驗→拋光→鉻酸陽極氧化（保護基準面A、D、E）→拋光基準面A、D、E→基準面A、D、E浸涂阿洛丁600→印字→終檢→蓋章→包裝→入庫。

4 工裝夾具設計

根據建立的工藝臺階及6處φ6mm定位孔，設計銑床夾具，以6處定位基準孔進行定位，翻轉3面進行斜面與臺階等加工，銑床夾具保證工藝性尺寸穩(wěn)定性。圖4為設計的加工銑床夾具，半精加工時，以6處定位基準孔φ6+0.02+0mm在銑床夾具上定位，進行正面加工，單邊余量0.5mm，零件加工完成后，翻轉其余2面進行斜面與臺階等加工，要求加工的定位基準與半精加工尺寸控制在0.3mm的范圍內，才能保證對精加工面輪廓度尺寸的控制。

圖4 銑床夾具

面輪度的基準面A為第一基準，按工藝流程加工為最后工序，必須控制基準面D到基準面A的尺寸。

設計基準面A銑床夾具（見圖5），要求用定位基準孔進行定位。銑零件基準面A，以基準面D上的3處孔定位（見圖5基準面引線所引的3處孔），定位銷不允許劃、壓傷零件內孔、表面，以3處基準螺紋孔J為壓板定位孔，加塑料薄板后壓零件，基準孔J到基準面A的108.84m m尺寸公差控制在±0.03mm。通過逆向尺寸的分析，必須保證第一基準面108.84mm尺寸的公差，達到面輪廓度0.25mm要求，由于面輪廓度是綜合性公差，主要由位置度、角度和平面度組成，所以還要考慮基準面A的垂直度，不能＞0.03mm，操作人員必須找正零件平面B的垂直度。

圖5 基準面A銑床夾具

5 面輪廓度測量

加工完成后，在三坐標測量機上測量零件面輪廓度在0.25mm之內，建立三坐標所需的零件測量坐標與三維模型坐標一致；建立測量用定位基準面及基準點，由于零件為雙角度復雜薄壁機加工零件，測量用定位面及點會影響測量的精度，按圖樣尺寸要求，建造三維模型，完成后必須對三維模型進行校核，保證所有尺寸達到圖樣要求。

建立基準面D的面輪廓度的基準A、B、C相對應的三維模型相對基準ZC、YC、XC；保證零件坐標系與三維模型的坐標系一致。建立測量模型后，利用三坐標測量機，采用PC-DMIS CAD進行測量，由于基準面D為4個平面組合成的基準面，與測量技術人員協(xié)調后，每個面選取4個點（見圖6、圖7）。

圖6 三坐標測量數據

圖7 三坐標測量現場

選取的點與模型上的點、測量尺寸的相對坐標進行比較，可以測量出面輪廓度的尺寸。測量時，在基準面ZC上取至少3個點作為基準面A的基準平面，作為第一基準；第二基準面YC取2個點作為基準面B，第三基準面XC取1個點作為基準面C，使創(chuàng)建的零件坐標系與三維模型坐標系重合。完成后在基準面D上取點（建議每個柱上取4～6個點），用三坐標進行采集，采集后的數據與三維模型坐標點進行比對，比對差異就是基準面D對3個基準面A、B、C面輪廓度的公差，采集后的數據與三維模型坐標點進行比對，面輪廓度分解后的加工后空間角度30°、125°的檢測數據為29°59′44″～30°1′29″、124°52′55″～124°58′12″，基準D平面度為0.01～0.03m m，平面D的面輪廓度為0.04～0.21m m，平面E的面輪廓度為0.14～0.23mm。經過采取以上措施，測量結果完全達到圖樣要求，零件面輪廓度通過加工控制在0.25mm范圍內。

6 結束語

通過設定工藝臺階及定位孔，并逆向分析面輪廓度對位置、面及角度等的影響，理論上進行控制相關位置及尺寸，滿足面輪廓度綜合公差0.25mm的要求，提升了公司分析、測量面輪廓度的能力，做到在加工前對產品進行控制。加工完成后通過三坐標測量機驗證前期分析的數據，最終完全符合，解決了客戶面臨的困難，得到客戶的高度評價。