摘要:以精密異形滑塊加工為例,結(jié)合已有的加工設(shè)備,對(duì)精密零件在機(jī)床加工中的變形系數(shù)進(jìn)行分析,總結(jié)出影響產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)率的因素,通過(guò)改變裝夾方式和工序步驟來(lái)優(yōu)化工藝方案,最終加工出合格的產(chǎn)品。
隨著機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展,客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品精度的要求越來(lái)越高。在醫(yī)療、消費(fèi)電子、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域,通過(guò)數(shù)控機(jī)床直接加工出高精度產(chǎn)品的現(xiàn)象越來(lái)越普遍。同時(shí),高精度三軸加工中心和五軸加工中心的出現(xiàn),大大增加了零件加工的可選擇性,通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)、機(jī)床選擇、刀具性能、夾具設(shè)計(jì)以及基準(zhǔn)等制造要素的選擇和優(yōu)化,可大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。本文以精密異形滑塊加工為例,通過(guò)對(duì)不同加工工藝的對(duì)比,分析影響加工質(zhì)量的因素,從而得出優(yōu)化的、合理的加工工藝,制造出高精度要求的精密零件。
精密零件外觀如圖1所示,零件形狀復(fù)雜,加工要素多,確定加工工藝前,需要對(duì)其從材料、尺寸公差和形狀特征等方面進(jìn)行分析。
(1)材料分析:原材料采用日標(biāo)C3604黃銅。C3604屬于易切削黃銅,具有極好的切削性能,強(qiáng)度高,組織致密均勻,耐蝕性好,且具有加工銅屑均勻細(xì)小、加工表面光潔等特點(diǎn),適用于高速自動(dòng)加工。
(2)尺寸公差分析:零件加工圖樣如圖2所示。由于所需加工的精密零件是用于設(shè)備儀器上,所以尺寸精度、公差精度要求較高。由圖樣可知,公差等級(jí)為IT7,其表面粗糙度值達(dá)到Ra=0.8μm,其他未注公差按照GB/T 1804-m,未注形位公差按照GB/T 1184-K。在尺寸公差精度要求高的情況下,工藝規(guī)劃顯得尤為重要。
圖1 精密異形滑塊外觀
圖2 零件加工圖
(3)形狀特征分析:如圖2所示,所加工零件由直線槽、沉孔、螺紋孔和曲面等組成,形狀復(fù)雜,每個(gè)面都存在特征,所以需要采用最少兩次裝夾的加工方法,且根據(jù)圖樣要求,其同軸度、垂直度等位置精度要求高,大大提高了加工難度。如何保證其位置精度無(wú)誤差,需要定制合適的加工工藝方案。
為了保證零件的合格率,綜合考慮已有的加工設(shè)備,首選DMG HSC 75五軸加工中心進(jìn)行加工,目的是為了保證一次成形,既避免了因多次裝夾產(chǎn)生的位置誤差和重復(fù)誤差等對(duì)加工精度的影響,又降低了加工成本,節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間。
C3604黃銅材料單價(jià)高,為降低成本,減少被切削材料體量,選擇棒料為毛坯,并采用三爪自定心卡盤(pán)更好地控制零件的位置精度。因?yàn)椴牧鲜屈S銅,對(duì)刀具無(wú)太大的要求,直接選擇普通的硬質(zhì)合金刀具對(duì)其進(jìn)行加工。此外,為了保證加工質(zhì)量和合格率,專(zhuān)門(mén)制定了合理的加工工藝方案,采用五軸加工中心一次成形。表1所示為程序工藝單,程序模擬時(shí)間為1h15min10s,實(shí)際加工時(shí)間為2h10min。零件加工完成后,根據(jù)圖樣要求進(jìn)行尺寸和位置精度檢測(cè)。為了保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采用工業(yè)掃描儀檢測(cè)。圖3所示為檢測(cè)報(bào)告。
由圖3所示檢測(cè)報(bào)告可知,零件的位置精度出現(xiàn)較大誤差,達(dá)不到要求。雖然采用先進(jìn)的五軸加工中心一次加工成形,減少了零件裝夾次數(shù)和加工時(shí)間,提高了加工效率,降低了加工成本,但在頂部曲面和沉孔的側(cè)面精度上存在較大誤差。為了找出原因,重新試加工了產(chǎn)品。在加工頂部曲面時(shí),為了測(cè)試出現(xiàn)位置誤差的問(wèn)題所在,更改切削參數(shù),從檢測(cè)結(jié)果得知,曲面不合格的問(wèn)題依然存在。檢查機(jī)床的加工精度誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差及傳動(dòng)誤差等,都在合格范圍內(nèi);檢查夾具的誤差,在合格范圍內(nèi),也不存在刀具磨損誤差的問(wèn)題。
在精密異形滑塊的數(shù)控加工過(guò)程中,由于各種因素的影響,使刀具和工件的相對(duì)位置發(fā)生偏移,產(chǎn)生了加工誤差,使得加工出的零件不符合要求。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為,精密異形滑塊加工過(guò)程中的主要誤差來(lái)源如下:
(1)刀具系統(tǒng)的位置誤差。刀具過(guò)長(zhǎng)引起刀具擺動(dòng),從而產(chǎn)生刀具旋轉(zhuǎn)誤差。
(2)精密異形滑塊與夾具系統(tǒng)的位置誤差。在優(yōu)化前的不合格因素主要來(lái)源于夾具,裝夾時(shí)由于伸出加工部位較長(zhǎng),在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生晃動(dòng),不能很好地完成加工,使刀具與材料的位置產(chǎn)生了變動(dòng)而引起誤差。
表1 程序工藝單
序號(hào)程序名稱(chēng)刀號(hào)刀具名稱(chēng)刀具規(guī)格加工深度/mm余留量(單邊)/mm加工時(shí)間1 01-18-D12-BJ 2合金銑刀D12 -85.79 0 0h03min36s 2 02-19-R1-BJ 9球頭刀D2R1 21.206 0.3 0h00min09s 16球頭刀D2R1 -38.593 0.05 0h07min14s 3 03-20-D6-DJ 13合金銑刀D6 -78.04 0.4 0h00min28s 4 04-21-R0.4-QJ 12球頭刀D0.8R0.4 -37.877 0.05 0h04min00s 5 05-22-D12-GD 2合金銑刀D12 -85.79 0 0h03min36s 6 06-24-D8-GD 3合金銑刀D8 -25.819 0.3 0h00min18s 7 07-25-D4-GD 1合金銑刀D4 -16.578 0.3 0h00min12s 8 08-26-R0.5-GD 10球頭刀D1R0.5 -40.41 0 0h23min09s 9 09-27-R0.2-QJ 11球頭刀D0.4R0.2 18.178 0.02 0h02min31s 10 10-28-D12-ZF 1球頭刀D0.8R0.4 -40.084 0.02 0h00min09s 11 CESHI-000 2合金銑刀D12 -85.956 0 0h03min04s 12 11-28-D7.8-JK 6合金銑刀D7.8 -16.07 0 0h00min30s 13 12-29-D8-JK 7合金銑刀D8 -16.07 0 0h00min23s
圖3 檢測(cè)報(bào)告
(3)編程計(jì)算誤差。進(jìn)行CAM編程時(shí),生成刀位軌跡的算法或精度不夠而產(chǎn)生誤差。
經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查機(jī)床、刀具、夾具、潤(rùn)滑、檢測(cè)及工件等可能出現(xiàn)的問(wèn)題,最終決定從加工工藝下手,更改加工工藝方案。
該零件需要加工的特征可劃分為平面、直線槽、弧形槽、沉孔、曲面和螺紋孔六部分。另外此次準(zhǔn)備的毛坯是方料,有大量的材料需要去除,由于每個(gè)表面的加工要求都有所不同,因此在安排工序時(shí),為了保證銅件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性和加工可行性,要遵循工序集成、基準(zhǔn)先行、先粗后精、先主后次、分面加工和先面后孔的工藝原則。
根據(jù)上述工藝原則,粗加工的任務(wù)是盡快切除大量精密異形滑塊各個(gè)表面多余的材料,加工出精密異形滑塊過(guò)渡毛坯和基本形狀;精加工的任務(wù)是取得加工精度和表面質(zhì)量。同樣是選擇DMG HSC 75機(jī)床(見(jiàn)圖4a)進(jìn)行加工,增加DMG 835V三軸立式加工中心(見(jiàn)圖4b)。選擇DMG 835V三軸加工中心粗加工外形、直線槽和沉孔等,去除表面大量材料,生成加工余量比較均勻的表面,為精加工做好準(zhǔn)備。分正、反面加工,圖5a所示為三軸加工中心加工模擬路線。選擇DMG HSC 75五軸加工中心精加工,提高加工精度,保證加工零件各項(xiàng)要求符合客戶(hù)的需求。圖5b所示為五軸加工工藝模擬路線。
毛坯的外形、尺寸直接影響工藝的確定,余量多則首先需要去除大量毛坯。毛坯的外形、尺寸越接近異形滑塊的設(shè)計(jì)造型,所消耗的材料和加工時(shí)間越少,所以毛坯的選擇要依據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸、生產(chǎn)類(lèi)型、零件的材料和現(xiàn)有的加工條件。因此,將異形滑塊的毛坯形狀選為方料,根據(jù)異形滑塊的特征和加工過(guò)程中裝夾的需要,擬準(zhǔn)備毛坯尺寸為80mm(長(zhǎng))×22mm(寬)×40mm(高)。
精密異形滑塊每個(gè)面都存在特征需要加工,需要通過(guò)CAD/ CAM軟件優(yōu)化刀具路徑軌跡。因此選擇PowerMILL CAM軟件對(duì)精密異形滑塊進(jìn)行刀具路徑軌跡的生成,這樣做可以縮短工藝路線和輔助時(shí)間。
在異形滑塊加工過(guò)程中,為了滿(mǎn)足加工對(duì)象定位基準(zhǔn)的位置度要求,以便接受加工、檢測(cè),必須采用附加裝置,即夾具??紤]到工序類(lèi)似和基準(zhǔn)問(wèn)題,在DMG 835V三軸加工中心和DMG HSC 75五軸加工中心都采用米其林油壓虎鉗夾緊。
優(yōu)化前的工藝方案和產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告,其主要問(wèn)題都集中在零件加工過(guò)程中產(chǎn)生變形,造成零件尺寸超差,出現(xiàn)位置精度誤差。因此需要對(duì)加工中的變形進(jìn)行控制和預(yù)防。通??刂谱冃蔚姆椒ㄓ校?/p>
圖4 加工所用機(jī)床設(shè)備
圖5 加工模擬
(1)改進(jìn)工藝方案。更改工序,在保證精度的前提下,適當(dāng)調(diào)整加工機(jī)床,調(diào)整夾具,增加輔助裝置,增加剛度,將變形控制在一定范圍內(nèi),甚至無(wú)變形。
(2)改進(jìn)切削參數(shù)。提高切削速度,降低切削區(qū)域溫度,改變切屑成形和去除機(jī)理,降低切削力,從而減少變形。
(3)改變工藝路線。在三軸加工中心先去除大余量,再到五軸加工中心一次性精加工完成。
(1)在三軸加工中心上對(duì)大部分的外形進(jìn)行粗加工,對(duì)三個(gè)基準(zhǔn)面進(jìn)行精加工(見(jiàn)圖6),保證其尺寸精度和位置精度,以方便下一步的加工。
(2)在五軸加工中心上對(duì)已加工的外形進(jìn)行精加工,用已加工好的三個(gè)定位基準(zhǔn)分中。制定加工路線如表2所示。
采用優(yōu)化前的工藝方案,加工出來(lái)的產(chǎn)品不符合客戶(hù)要求;采用優(yōu)化后的工藝方案,產(chǎn)品合格。其最大變動(dòng)就是工序的變化,將原先由五軸加工中心一次成形可以加工完成的工步,分成采用三軸開(kāi)粗、五軸精加工來(lái)完成。由此可知,原來(lái)的問(wèn)題所在就在工件加工、裝夾上。經(jīng)過(guò)分析,在五軸加工中心上完成粗加工,因切削量大,且裝夾長(zhǎng)度短,直接導(dǎo)致加工件在加工中擺動(dòng),從而影響了位置精度。改變裝夾、加工方法后,順利完成了工件的加工,最終經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),產(chǎn)品合格率為100%。優(yōu)化前、后數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。
圖6 基準(zhǔn)面
表2 數(shù)控加工工藝流程
工序號(hào)工序內(nèi)容刀具號(hào)主軸轉(zhuǎn)速/(r·min-1)加工余量/mm 1進(jìn)給速度vf/(mm·min-1)下料80mm×22mm×40mm――――2油壓虎鉗夾持毛坯――――3三軸立式加工中心粗加工――――4正面外形挖槽開(kāi)粗T1 10 000 2 000 0.3 5正面外形挖槽開(kāi)粗T1 10 000 2 000 0.3 6精加工定位基準(zhǔn)T2 11 000 1 000 0 7五軸加工中心精加工――――8利用定位基準(zhǔn)分中――――9 2D外形精加工T2 11 000 1 000 0 10 3D曲面精加工T3 14 000 1 000 0 11檢驗(yàn)―
表3 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比
項(xiàng)目?jī)?yōu)化前優(yōu)化后設(shè)備DMG HSC 75五軸加工中心DMG HSC 75五軸加工中心DMG 835V三軸加工中心夾具三爪自定心卡盤(pán)油壓虎鉗刀具硬質(zhì)合金銑刀硬質(zhì)合金銑刀材料銅料C3604(棒)銅料C3604(方)尺寸不合格合格位置精度不合格合格時(shí)間2h10min 2h40min合格率10% 100%
加工方法多種多樣,如何找到適合的工藝方案,則需要根據(jù)實(shí)際加工條件來(lái)制定,這樣才是最有效率的。對(duì)比優(yōu)化前與優(yōu)化后兩套加工工藝方案,雖然優(yōu)化后的方案工序增加,所占用的加工時(shí)間較長(zhǎng),但成品合格率為100%,無(wú)廢品,從而滿(mǎn)足了客戶(hù)需求,提高了生產(chǎn)效益。