薄壁框体零件加工工艺分析

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摘要：薄壁框体零件形状复杂、精度要求较高，其加工工艺和装夹方式直接影响零件生产的质量及效率。通过对薄壁框体零件加工难度的分析、加工工艺的制定、专用夹具的设计及铣削加工时应注意的问题进行研究，解决了薄壁框体零件加工易变形、定位及装夹难等问题，保证了零件加工质量，提高了生产效率。

关键词：薄壁框体零件；加工变形；装夹；定位；专用夹具

薄壁框体类零件因其质量轻、结构紧凑、易装配等优点，被广泛应用于各领域中。但薄壁框体类零件通常因其形状复杂、精度要求高，在加工中易出现塑性变形及装夹变形等问题，降低了零件的尺寸精度、位置精度，造成表面粗糙度值较大、产品品质差等现象，因此薄壁框体类零件加工是数控铣加工中的难题之一。薄壁框体类零件加工的技术难点是如何最大程度地控制零件在装夹过程和加工过程中的变形，以下通过对薄壁框体零件的加工实例进行分析，制定加工工艺和设计专用夹具以控制和解决薄壁框体零件切削加工易变形、定位及装夹难的问题。

1零件特点及加工难点分析

1.1零件特点。A6061铝质夹板框架如图1所示，为薄壁框体类零件，是固定某款手机电池夹具中的零部件，每套固定夹具由4个零件组成，装配后才能固定电池。该框架为夹具的零件之一，对其平行度、平面度、尺寸精度要求较高，其结构特点：①最大外形尺寸为98mm×40.5mm×5mm，基本厚度为3mm，中间切开一个凸形缺口，非对称零件，外形较复杂；②零件正面有厚度为10mm的凸台，反面有厚度为2mm的加强筋，正反两面不对称，形状、结构均不同，需两面分别加工；③零件上有多个小通孔，加工时要注意保证其位置度；④零件整体外形为“C”形，中间连接处有2mm厚的加强筋（40mm×4.5mm×3mm），在夹紧力、刀具切削力的双重作用下易出现切削震颤引起加工变形；⑤零件侧面有孔，需再次装夹加工。（a）正面（b）反面（c）二维结构图1零件1.2零件加工难度分析。根据加工常用设备及该零件的结构特点，可使用普通铣床、数控铣床及线切割机进行加工。该零件为铝制品，线切割加工慢、效率低，且易烧坏导电块、易断丝，故在制定加工工艺时采用普通铣床和数控铣床进行铣削加工。零件在铣削加工时出现的难点如下。（1）加工中零件的变形。刀具在切削材料的过程中会产生切削力和切削热，二者共同作用下易造成零件的塑性变形。薄壁类零件有可能因装夹不当，在切削力的作用下出现切削震颤现象导致零件加工变形。（2）零件加工装夹困难。零件的装夹工艺是影响薄壁零件制造的首要因素。装夹位置、夹紧力大小、装夹方案的选取不当都会导致薄壁零件变形，如直接将毛坯装夹在虎钳上加工，为保证零件在加工过程中不松动，夹紧力与切削力应同步增大，且夹紧力应略大于切削力，但这样装夹加工后的零件拆卸后已发生较大变形，零件的平面度、平行度、尺寸精度等都会发生变化，且变形量的大小会因夹紧力的不同而改变，直接影响加工的精度。若为了满足零件加工拆卸后变形量小而在装夹时将夹紧力设置过小，又可能发生夹紧力不够导致零件在加工中移位，甚至可能发生零件松脱飞出的事故。（3）零件加工再次装夹及定位难。该零件正反面结构和形状不同，无论先加工正面还是反面，都需考虑再次装夹的定位问题。常规的装夹可能会使零件表面产生压痕及其尺寸发生变化，且零件的再次装夹重新定位较费时，容易产生定位误差，影响加工精度。（4）此零件属于装配类加工零件，形位公差、精度、表面粗糙度要求比较高。（5）该薄壁框体类零件基本厚度仅为3mm，零件有3处缺口，最大处缺口达63mm，加工中易发生变形，若正面加工时直接铣削全部外形将面临反面加工时难定位、难装夹的问题；如为解决装夹难的问题，正面加工时只铣削外形，深度未铣到位，则会因定位误差及正反面接刀的现象影响零件的配合度及外观。（6）该零件形状不规则，在加工过程中容易受力不均导致加工误差较大，严重的还会导致零件变形。

2控制加工变形解决方案

2.1加工工艺方案的制定。为克服该薄壁框体零件加工中的难点，根据其装配要求，可选择以下2个方案进行加工。（1）方案一。①加工零件反面：将毛坯固定在普通铣床上铣削平面，在铣好的面上钻3个通孔（通孔位置应避开零件外形）；②制作简单夹具：提前准备1条条形钢板，根据前一步骤中3个通孔的位置钻好3个孔，此装置作为下一步骤的简易夹具；③加工零件正面：采用3个内六角螺钉将零件固定在前一步骤准备好的夹具上，通过数控铣床加工正面及外形轮廓；加工外形时不能将中间凸字形缺口处全部铣削，需留出4处薄片（反面加工后薄片厚度达0.5mm左右）及中间连接杆用于零件固定及定位，以解决反面加工时零件的装夹定位问题，如图2所示，这种加工方式既能在正面加工时将零件外形一次加工到位，又保证了零件加工时的刚性，还能解决反面加工时装夹位置及装夹力对零件加工中造成的变形及表面质量的影响；④为保证零件上多个小通孔之间及其与零件外形之间的位置度，加工零件正面时将孔与外形在同一道工序完成；⑤制造专用夹具：为解决因零件装夹不当而引起零件变形的问题，正面加工完成后需设计制造专用夹具，用于装夹定位零件进行反面加工，采用专业夹具（见图2）不仅能有效固定零件、快速精准定位，使装夹加工简单方便、稳定可靠，还可以节省零件装夹找正及数控铣床对刀的时间，提高生产效率；⑥再次加工零件反面：采用3个内六角螺钉将零件固定在专用夹具上，通过数控铣床加工反面，铣出加强筋的结构；⑦加工凸台上的侧孔：完成上个步骤后使用夹具定位钻2个直径ϕ2mm的侧孔，可使用普通钻床或普通铣床加工，不占用数控设备加工；⑧最后去除4处0.5mm厚的工艺连接薄片、中间连接杆及螺钉紧固台，修整工艺连接处。（2）方案二。①加工零件正面：直接在数控铣床上装夹毛坯件，加工正面及外形轮廓，并在铣好的面上钻3个通孔（通孔位置应避开零件外形），加工正面时的注意事项与“方案一”相同，即加工外形时不能将中间凸字形缺口处全部铣削，需留出4处薄片及中间连接杆用于零件固定及定位；②以下各步骤同“方案一”中步骤④~⑧。2.2方案对比选择。以上2种方案的区别只在前3个步骤，涉及正面及外形轮廓的铣削工艺过程，其他步骤相同，其对比如下。方案一：前2次装夹。第1次直接装夹在普通铣床上对零件反面进行铣削，铣削后的平面将作为下一道工序正面加工的基准面；第2次装夹在自制的简易夹具上，用数控铣床对零件正面及外形轮廓进行加工及钻孔。方案二：前面只有1次装夹。直接将零件装夹在数控铣床上铣削加工其正面及外形轮廓。对比2个方案发现，方案二比方案一拆卸次数少，一次装夹即可直接铣削正面及外形轮廓，省工省时，但采用方案二加工正面时需预留5mm装夹量，该零件基本厚度为3mm，总厚度为12mm，毛坯件的厚度最少应为17mm；而采用方案一加工，则不需预留5mm的装夹量，节省材料，批量生产时还可在步骤二制作简易夹具时按批量制作。综上所述，如小批量加工该零件可采用方案二的工艺过程，优点是装夹方便，缺点是浪费材料，加工量大；如批量生产应采用方案一的工艺过程，优点是节省材料，缺点是多了一道面需数控铣及装夹，略为耗时。2.3专用夹具的结构设计。为避免零件加工过程中因装夹不当产生变形，影响零件加工外形及精度，在加工零件反面时需设计1套专用夹具，使零件装夹定位简单、快速、准确。专用夹具力求结构简单、制作方便，有一定的通用性，能达到加工零件的质量要求，可供批量生产使用以提高加工效率。该薄壁框体零件材料为6061铝合金，材质较软，选择国标黄铜为材料制作该专用夹具，其设计应满足以下要求。（1）能利用已加工好的正面对零件进行快速精准定位。（2）采用螺钉紧固的方式，对加工零件施加向下的拉力压紧定位，避免了薄壁零件侧向受力导致加工过程中发生变形或切削震颤的现象。（3）该零件较小，批量加工时应满足一次装夹多个零件的条件，降低操作者的劳动强度，缩短反复换刀及对刀的辅助时间。（4）夹具结构应简单可靠、制作方便、快捷，尽量降低加工成本。由于正面加工完成后产生了2个凸台，在设计反面加工装夹夹具结构时要对其进行避空处理；外形轮廓中各处过渡的圆弧角也要进行避空，防止定位装夹时发生干涉；夹具与零件定位边倒角C0.3mm，用作装夹零件导向，同时避免刮伤。专用夹具结构设计如图3所示，夹具成品如图4所示。经过几批零件多次加工实践，最终通过三坐标的检测确定，采用以上加工工艺及专用夹具加工的零件平面度、平行度、尺寸精度均能达到图纸要求，加工的表面质量好，未产生加工变形及切削震纹。2.4刀具选择。零件材质为6061铝合金，冷处理铝锻造产品耐腐蚀性强、抗挤压能力强、塑性好、熔点低，但铝合金材料在铣削加工时粘刀问题严重，易产生积屑瘤。铣削过程中积屑瘤的产生会导致切削层厚度增加，影响零件尺寸精度；积屑瘤不断长大和脱落会加快刀具磨损，导致刀具切削刃钝化、加工表面质量降低等不良影响，严重时甚至会出现铣削断刀现象。因此在铣削铝合金时应尽量选择减少积屑瘤形成的刀具，利用高速加工提高加工零件的尺寸精度及生产效率，降低表面粗糙度。综上所述，加工该零件的刀具硬度要求不高，可选用白钢刀和硬质合金刀。根据铝合金铣削的加工特性可选择三刃铝用铣刀，YG类硬质合金刀或加工铝合金专用铣刀加工此零件，如DaElement品牌的3P系列、瑞士Fraisa的AL系列等，加工效果较好。该零件2个凸台有C1、C2mm工艺倒角，对尺寸精度要求不高，可选用倒角刀铣削加工，提高生产效率。

3结束语

薄壁框体类零件在加工中易变形、难定位、难装夹，其技术难点在于加工过程中的塑性变形及装夹变形，零件加工变形是影响加工质量和加工效率的重要因素，解决此类零件加工问题可以根据产品的装配要求、尺寸要求及外观质量等因素增加零件加工过程中的辅助工艺结构，针对类似零件的结构和加工特点，可灵活设计一些小型夹具、辅具，满足加工的定位及夹紧要求。通过加工工艺的调整及创新装夹方式以达到控制与减少零件加工变形，保证加工质量，有效提高了经济效益。

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作者:温沪斌 单位:惠州市技师学院