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，通過改變裝夾方式和工序步驟來優(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，客戶對產(chǎn)品精度的要求越來越高。在醫(yī)療、消費(fèi)電子、汽車和航空航天等領(lǐng)域，通過數(shù)控機(jī)床直接加工出高精度產(chǎn)品的現(xiàn)象越來越普遍。同時，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，通過對工藝參數(shù)、機(jī)床選擇、刀具性能、夾具設(shè)計以及基準(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，通過對不同加工工藝的對比，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)誤差等對加工精度的影響，又降低了加工成本，節(jié)約了生產(chǎn)時間。
C3604黃銅材料單價高，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更好地控制零件的位置精度。因?yàn)椴牧鲜屈S銅，對刀具無太大的要求，直接選擇普通的硬質(zhì)合金刀具對其進(jìn)行加工。此外，為了保證加工質(zhì)量和合格率，專門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，程序模擬時間為1h15min10s，實(shí)際加工時間為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。為了保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用工業(yè)掃描儀檢測。圖3所示為檢測報告。
由圖3所示檢測報告可知，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，為了測試出現(xiàn)位置誤差的問題所在，更改切削參數(shù)，從檢測結(jié)果得知，曲面不合格的問題依然存在。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題。
在精密異形滑塊的數(shù)控加工過程中，由于各種因素的影響，使刀具和工件的相對位置發(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)過分析認(rèn)為，精密異形滑塊加工過程中的主要誤差來源如下：
（1）刀具系統(tǒng)的位置誤差。刀具過長引起刀具擺動，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源于夾具，裝夾時由于伸出加工部位較長，在加工過程中容易產(chǎn)生晃動，不能很好地完成加工，使刀具與材料的位置產(chǎn)生了變動而引起誤差。
表1 程序工藝單
序號程序名稱刀號刀具名稱刀具規(guī)格加工深度/mm余留量（單邊）/mm加工時間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 檢測報告
（3）編程計算誤差。進(jìn)行CAM編程時，生成刀位軌跡的算法或精度不夠而產(chǎn)生誤差。
經(jīng)過反復(fù)檢查機(jī)床、刀具、夾具、潤滑、檢測及工件等可能出現(xiàn)的問題，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，由于每個表面的加工要求都有所不同，因此在安排工序時，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表面多余的材料，加工出精密異形滑塊過渡毛坯和基本形狀；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（見圖4a）進(jìn)行加工，增加DMG 835V三軸立式加工中心（見圖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)計造型，所消耗的材料和加工時間越少，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程中裝夾的需要，擬準(zhǔn)備毛坯尺寸為80mm（長）×22mm（寬）×40mm（高）。
精密異形滑塊每個面都存在特征需要加工，需要通過CAD/ CAM軟件優(yōu)化刀具路徑軌跡。因此選擇PowerMILL CAM軟件對精密異形滑塊進(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間。
在異形滑塊加工過程中，為了滿足加工對象定位基準(zhǔn)的位置度要求，以便接受加工、檢測，必須采用附加裝置，即夾具?？紤]到工序類似和基準(zhǔn)問題，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)品檢測報告，其主要問題都集中在零件加工過程中產(chǎn)生變形，造成零件尺寸超差，出現(xiàn)位置精度誤差。因此需要對加工中的變形進(jìn)行控制和預(yù)防。通常控制變形的方法有：
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大部分的外形進(jìn)行粗加工，對三個基準(zhǔn)面進(jìn)行精加工（見圖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已加工的外形進(jìn)行精加工，用已加工好的三個定位基準(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，加工出來的產(chǎn)品不符合客戶要求；采用優(yōu)化后的工藝方案，產(chǎn)品合格。其最大變動就是工序的變化，將原先由五軸加工中心一次成形可以加工完成的工步，分成采用三軸開粗、五軸精加工來完成。由此可知，原來的問題所在就在工件加工、裝夾上。經(jīng)過分析，在五軸加工中心上完成粗加工，因切削量大，且裝夾長度短，直接導(dǎo)致加工件在加工中擺動，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)過反復(fù)試驗(yàn)，產(chǎn)品合格率為100%。優(yōu)化前、后數(shù)據(jù)對比如表3所示。
圖6 基準(zhǔn)面
表2 數(shù)控加工工藝流程
工序號工序內(nèi)容刀具號主軸轉(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正面外形挖槽開粗T1 10 000 2 000 0.3 5正面外形挖槽開粗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)對比
項(xiàng)目優(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)際加工條件來制定，這樣才是最有效率的。對比優(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，所占用的加工時間較長，但成品合格率為100%，無廢品，從而滿足了客戶需求，提高了生產(chǎn)效益。