大型薄板零件加工變形控制工藝

劉緒弟，張桂珍，張永紅

1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 四川成都 611731

2. 成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司 四川成都 611731

1 序言

當(dāng)前大型電子設(shè)備中，越來(lái)越多地采用了盲插形式的安裝機(jī)架，其中涉及的大型薄板零件結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多。大型薄板零件具有整體性好、結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其剛性差、強(qiáng)度弱，加工過(guò)程受到加工應(yīng)力、裝夾條件及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡等影響，極易變形，所以難以滿足設(shè)計(jì)精度要求，后續(xù)應(yīng)用時(shí)，會(huì)影響其裝配精度，從而影響到盲插連接器的盲插精度和電性能。

為了滿足模塊盲插裝配設(shè)計(jì)要求，必須控制安裝機(jī)架中大型薄板零件的加工變形。大型薄板零件的加工精度主要通過(guò)機(jī)械加工來(lái)保證[1]。通過(guò)開展大型薄板件加工變形控制工藝研究，找到合理的工藝流程及方法，可提高大型薄板零件的加工精度，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

2 設(shè)計(jì)精度要求

圖1為某典型的機(jī)架安裝板零件，采用平板開放式的結(jié)構(gòu)形式，材料為2A12硬鋁，外形尺寸為744mm×174mm×11mm，大面積的壁厚集中在4mm，零件大面的平面度要求為0.3mm。該零件為典型的大型薄板零件，具有尺寸大、薄壁部位多、材料去除率高及精度要求高的特點(diǎn)，采用常規(guī)的加工工藝，大面平面度僅能達(dá)到0.8～1mm，無(wú)法滿足要求。

圖1 某典型的機(jī)架安裝板零件

3 加工變形關(guān)鍵影響因素分析

影響大型薄板零件加工變形的因素較多，主要包括加工應(yīng)力、裝夾方式及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡等。在對(duì)加工變形規(guī)律認(rèn)識(shí)尚不十分明確的情況下，需對(duì)各因素進(jìn)行分析，并針對(duì)各因素制定專門的優(yōu)化驗(yàn)證方案。

3.1 加工應(yīng)力的影響

當(dāng)零件在沒(méi)有任何外力作用而內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí)，內(nèi)應(yīng)力是相互平衡的。在零件進(jìn)行切削冷加工的過(guò)程中，切削力和切削熱產(chǎn)生作用，工件表面硬化，并在表面層的金屬中呈現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力層切除后，應(yīng)力重新分布，會(huì)使此類薄壁零件產(chǎn)生扭曲變形[2]。此類零件常規(guī)的去應(yīng)力工藝方法為低溫?zé)崽幚砣?yīng)力，該工藝方法用時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)造成零件強(qiáng)度下降，不利于加工變形控制。

3.2 裝夾方式的影響

在機(jī)械加工中，工件在開始加工前，為使工件不在切削力的作用下發(fā)生位移，需采取正確的壓緊夾牢措施。在裝夾過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的裝夾力，由于是外界施加的應(yīng)力，在加工過(guò)程中無(wú)法充分釋放，因此在撤去壓緊裝置時(shí)，可能會(huì)造成工件回彈變形。此類大型薄板零件常規(guī)的裝夾方式為壓板裝夾，此種方式為多點(diǎn)分布式夾持，工件主要受軸向壓緊力及部分水平徑向力的作用[3]。由于作用點(diǎn)分散及變化，因此很難保證工件均勻受力，不利于加工變形控制。

3.3 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

刀具運(yùn)動(dòng)軌跡（又稱走刀路線或進(jìn)給路線），是指加工過(guò)程中刀位點(diǎn)相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡和方向[4]。為減小加工變形，在規(guī)劃刀具路徑時(shí)，應(yīng)盡可能應(yīng)用零件的未加工部分作為正在銑削部分的支撐，使切削過(guò)程處在剛性較佳的狀態(tài)。此類零件常規(guī)采用從左至右的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行加工，在最后部分加工時(shí)，零件未加工部分形成單側(cè)支撐，不利于加工變形控制。

4 整體解決方案

依據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，為減小工件變形，設(shè)置適當(dāng)?shù)募庸び嗔?，采用“少量多次”的原則，分層粗、精加工，并在材料去除較多的工序后增加去應(yīng)力工序，詳細(xì)的工藝流程為：備料→粗刨→去應(yīng)力→數(shù)控銑削粗加工→去應(yīng)力→數(shù)控銑削精加工→精刨→鉗加工→表面處理。

針對(duì)影響加工變形的關(guān)鍵因素，在具體的工藝方法選擇方面，設(shè)計(jì)不同工藝類比試驗(yàn)方案，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)選出適用于該類大型薄板零件的加工變形控制工藝方法。試驗(yàn)內(nèi)容包括去應(yīng)力方法對(duì)比、裝夾方式對(duì)比及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比，3個(gè)方面組合形成8種具體的加工路線，每種加工路線設(shè)置2件工藝樣件，共16件工藝樣件開展試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中工件大面平面度的變化數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。詳細(xì)的工藝試驗(yàn)方案見表1。

表1 工藝試驗(yàn)方案

5 工藝試驗(yàn)

5.1 去應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)工藝方法確定16件工藝樣件去應(yīng)力的時(shí)機(jī)和方法，確定每件樣件在粗刨及粗銑后需分別去應(yīng)力，并在去應(yīng)力后采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)其平面度，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中8件采用常規(guī)的熱處理低溫去應(yīng)力方式，另外8件采用諧波振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力方式，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力

試驗(yàn)結(jié)果表明，粗刨后，兩種不同的去應(yīng)力方式，工件的平面度相差不大。粗銑后，采用諧波振動(dòng)時(shí)效方式去應(yīng)力的試驗(yàn)件，比采用熱時(shí)效方式去應(yīng)力的樣件變形量更小，其樣件的應(yīng)力去除更充分、更均勻，加工變形控制效果更佳。其中一組去應(yīng)力對(duì)比過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖3所示。

圖3 去應(yīng)力對(duì)比過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.2 裝夾方式對(duì)比試驗(yàn)

零件在數(shù)控銑削精銑加工時(shí)，對(duì)比真空吸盤裝夾方式和傳統(tǒng)的壓板裝夾方式，精銑工序后采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)其平面度，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中8件采用傳統(tǒng)的壓板裝夾方式，另外8件設(shè)計(jì)專用的真空吸盤工裝，采用真空吸盤裝夾方式裝夾，如圖4所示。

圖4 真空吸盤裝夾

試驗(yàn)結(jié)果表明，粗銑去除大量材料后，在精銑時(shí)采用真空吸盤裝夾方式，夾持力分布更加均勻，切削過(guò)程中更加不易產(chǎn)生振動(dòng)，平面度控制效果更佳。其中一組裝夾方式對(duì)比過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖5所示。

圖5 裝夾方式對(duì)比過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.3 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比試驗(yàn)

零件粗銑和精銑加工時(shí)，在加工參數(shù)和工藝方法完全一致的前提下，采用不同的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡加工，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)其平面度，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中8件試驗(yàn)件的刀軌路徑采用常規(guī)的從左至右的順序加工，另外8件采用從中間到兩端的順序加工，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用兩種不同刀具運(yùn)動(dòng)軌跡加工的工件，無(wú)論是數(shù)控銑削工序后檢測(cè)的平面度值或者是曲線各階段的斜率，其差別都并不明顯，證明刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的不同對(duì)此類零件加工變形的影響不大。其中一組刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如圖7所示。

圖7 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)大型薄板零件的加工變形控制，開展關(guān)鍵影響因素分析，通過(guò)制定合理的加工方案及試驗(yàn)方案，進(jìn)行有效的工藝試驗(yàn)，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為優(yōu)選工藝方法提供了有力的支撐。工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在控制此類大型薄板零件加工變形方面，采用振動(dòng)時(shí)效的工藝方法相比采用熱處理時(shí)效的工藝方法效果更佳，采用真空吸盤的裝夾方式相比采用壓板的裝夾方式效果更佳。將相關(guān)研究成果形成工藝規(guī)范，并應(yīng)用到此類大型薄板零件的加工變形控制中。通過(guò)采用新的工藝方法，零件加工平面度可以較穩(wěn)定地控制在0.2mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

工藝研究結(jié)果表明，改進(jìn)后的加工工藝可有效提高零件的加工質(zhì)量和加工效率，對(duì)大型薄板類零件的加工變形控制具有較好的借鑒意義。