摘要：针对某偏心铝合金件加工的原工艺方法生产指导性差、生产成本高及加工效率低等问题，在深入分析工件的材料特性、结构特点以及加工难点后，采用数控化改进的工艺方法，合并了加工工序，简化了工艺流程，使加工质量和加工效率得到了大幅提高。
图1所示为我院某外贸型号产品的一个结构件，其材料为2A12铝合金。由于其结构复杂，存在偏心圆、台阶深孔、凹槽和孔系等，而且多数结构要素之间有较高精度的角向位置要求，因此加工难度较大。在缺少数控设备的生产条件下，原工艺方案是沿用传统的制造工艺技术，并结合专用工艺装备，利用普通机床进行加工，其过程繁冗、加工效率低及生产周期长是制约批量生产的一大瓶颈。为了有效提高加工效率、缩短生产周期和保证生产节点，结合我院现有的数控设备资源，对该工件的加工方法进行了数控化改进。
1.零件结构及加工难点分析
（1）零件结构分析。如图1所示，该薄壁偏心铝合金件结构复杂，由一个长轴外圆，一个壁厚2mm的凸起圆盘，以及圆盘上的凹槽、通槽、通孔系，两个偏心内圆，一个细小深孔，一个带有螺纹的台阶深孔，两处R2圆弧和两处R8圆弧等结构要素组成，且各结构要素之间存在较高精度角向位置的要求，公差仅±5′，换算为弧长后，细小深孔φ4+0.12-0.06mm的角向公差为±0.025mm，加工精度高。（2）加工难点分析。该工件的加工难点可以归纳为以下两个方面：①如何控制加工变形。该工件所用的材料为2A12-T4高强度变形铝合金，由于铝的线胀系数（0.000238/℃）是钢线胀系数（0.0001/℃）的2.38倍，因此在切削过程中热变形大；而铝合金的弹性模量低、刚度差，导致切削过程中弹性回复变形大。另外，受自身结构不对称性的影响，工件各个位置的强度不一致，应力分布也不一致，而该工件的材料去除率高，在毛坯的材料应力、切削应力及切削热应力等综合作用下，极易引起工件变形，导致其他结构要素的加工基准差，影响其他结构要素精加工的尺寸精度和位置精度。②如何保证各结构要素之间的角向位置公差。工件各结构要素之间存在较高精度的角向位置要求，公差为±5′，且在有角向位置要求的结构要素中包含着一个细小深孔和一个带螺纹的台阶深孔，而加工细深孔时仅能选择细长钻头，常因刚性不足、受力不均以及排屑不畅等因素出现漂移现象，导致孔偏斜，影响角向位置精度。而且，两偏心内圆与细深孔、带螺纹台阶深孔的加工基准不统一，无法通过一次装夹完成全部加工。因工件切削过程变形大，结构要素的加工精度成形较差，故工件的装夹定位误差大，而多次装夹加工所累计的定位误差更大，将影响加工要素之间的角向位置精度。
2.原工艺方案
（1）原工艺方案实践。受加工设备制约，加工该工件的原工艺方案沿用了传统制造工艺技术，加工均采用卧式机床。为解决好加工变形问题，原工艺采用了粗加工、半精加工及精加工的分步加工方式，且在粗加工去除大余量之后，安排了热处理工序，通过时效的方式消除粗加工过程中产生的内应力。为解决好结构要素之间的角向位置精度难加工的问题，原工艺在提高加工基准的基础上，通过设计专用夹具装夹零件，统一各个有角向位置要求的加工要素的定位基准（细小深孔φ4+0.12-0.06mm），来减少定位累计误差，并通过设计各种专用刀具与专用量具来提高零件的加工质量。原工艺加工方案经过生产验证可行，但工艺路线繁冗。具体工艺路线如下：5/车工→10/车工→15/钻工→20/车工→25/车工→30/时效（去应力）→35/车工→40/车工→43/钳工→45/铣工→50/钳工→55/车工→60/车工→65/车工→66/钳工→70/钻工→80/铣工→85/钳工→90/检验→95/氧化→100/入库。（2）原工艺存在的不足：①生产指导性差。原工艺加工流程长、加工过程繁冗、加工效率低，且产品生产质量不稳定，生产指导性差。②生产经济性差，生产成本高。原工艺加工过程所需专用工艺装备多达18种，且车工夹具、铣工夹具、法兰盘及钻模等工艺装备加工精度要求高，生产成本高。另外，原工艺的加工工序长，且加工方法复杂，导致零件加工过程的准备工时及加工工时多，生产工时成本高。③生产效率低。原工艺加工过程需进行热处理，分粗、精加工各结构要素，且对相关联结构要素的精加工分多道工序以及需要多次装夹，导致零件生产过程转工次数多、辅助时间多、生产周期长以及加工效率低。
3.新数控化工艺方案
鉴于上述原工艺存在的种种不足，结合我院现有的数控设备资源，对该工件的加工方法进行数控化改进，不仅可以有效地提高加工效率、缩短加工周期、彻底解决批生产的瓶颈，同时还可以降低生产成本，达到“降本增效”的目的。（1）新数控化工艺分析。以数控设备为加工基础，数控化工艺改进方案的关键技术为：将数控机床的数控编程、刀具偏置以及插补功能集中于某一道工序，在一次装夹下尽可能多地完成有角向位置要求的结构要素的加工。经分析得知，原来采用钻模装夹制备的角向定位细小深孔φ4+0.12-0.06mm，采用法兰盘与车工夹具配合装夹在车床上实现加工的偏心圆与带有螺纹台阶的深孔等相关要素，以及采用铣工夹具装夹加工的具有角向位置要求的凹槽、通槽和孔系等要素，均可在数控铣床上通过数控编程、刀具偏置和插补功能来实现加工。但是采用数控设备加工时，受加工方法的限制，螺纹空刀槽的铣削面临缺少合适加工刀具的问题。此外为了避免装夹困难，角向位置精度高（换算为弧长后公差为±0.025mm）的细小深孔φ4+0.12-0.06mm和带有螺纹的台阶深孔需要安排在凹槽、偏心圆及孔系等其他结构要素之后加工，这样就提高了对装夹精度的要求。（2）新数控化工艺的解决措施。针对加工变形的问题，为最大限度地提高加工效率，基于数控化加工的新工艺，取消了热处理消除应力工序，且多数加工要素直接安排精加工，一次加工到位。新工艺的工序内容集中，在一道工序中所加工的结构要素多、材料去除量大以及容易产生变形，是影响质量的不利因素。为解决工件的加工变形问题，新工艺在加工方式和装夹方式等方面采取了以下几个措施：①在加工余量大的两个偏心内圆时，粗、精加工分开进行，利用自然时效，消除切削应力且粗加工采用分层车削的方式，精加工采用分层铣削的方式。②在加工内容集中的工序，细化加工工步，在同一次装夹下进行粗加工、半精加工后，换刀进行精加工。③在精加工结构不对称、余量不均匀的两个偏心内圆及其他结构要素的工序，采用全包软爪装夹，降低不均匀径向夹紧力对于工件变形的影响。④切削加工过程，选用冷却效果好的水基乳化液作为切削液，并连续充分浇注，减少切削热对工件变形的影响。在实际加工中，选用2号乳化油加水稀释成乳化液作为切削液。数控化改进后的新工艺，在解决结构要素之间角向位置精度的难加工问题时，采取了以下措施：①集中加工内容，通过一次装夹完成多数结构要素的加工。在完成两偏心内圆的粗加工及外圆、圆盘的精加工之后，使用全包软爪可靠装夹，在一次装夹的情况下，利用数控设备的数控编程、刀具偏置以及插补功能，完成圆盘上凹槽（32±0.31）mm、两偏心内圆、轴线方向φ5+0.150mm孔系以及通槽（5±0.15）mm等结构要素的精加工，保证各结构要素之间的角向位置精度的要求。②提高定位基准精度，减少定位误差。由于轴向的带螺纹的台阶深孔和细小深孔φ4+0.12-0.06mm的加工进刀方向与两偏心内圆相反，加工基准不统一，无法通过一次装夹完成加工，为它们与其他结构要素之间的角向位置精度，在加工作为各结构要素的0°位置（0°基准）的圆盘上凹槽时，提高0°位置凹槽的尺寸精度为32+0.0080mm，在铝基础板上铣削定位凸台时，提高凸台宽度的精度为320-0.01mm，减少轴向的带螺纹的台阶深孔及细小深孔φ4+0.12-0.06mm加工时的定位误差。对于螺纹空刀槽的加工，数控化工艺改进后，原来用于螺纹空刀槽（2±0.12×φ5+0.150）车削的车工夹具、刀杆及切槽刀工艺装备等不再适用。受加工方法的限制，采用数控铣削的方式加工螺纹空刀槽时，只能选用T形刀进行加工。而工件螺纹空刀槽的宽度窄（2mm），入口处的螺纹M8×1-6H的底孔孔径小（D1=6.917+0.2360mm），且底部距离端面的尺寸为7mm，受其本身结构限制，没有通用的T形铣刀适用于加工，因此须定制专用的T形铣刀。通过分析，确定可选用白钢刃铣刀改制为专用T形铣刀，用于螺纹空刀槽的铣削加工。为保证改制的T形铣刀刚性能够满足加工条件，计算分析之后，确定选用φ8mm的白钢刃铣刀进行T形铣刀改制，改制的T形铣刀结构如图2所示。经过后续加工验证得知，使用改制T形铣刀一次成型螺纹空刀槽，加工效果良好，无让刀和断刀等异常现象出现，能够很好地满足设计指标的要求。（3）新数控化工艺路线。数控化改进后的新工艺，其工序内容集中，可以通过一次装夹完成多数结构要素的加工，工艺流程大为简化，其工艺路线为：5/数控车（精车外圆）→5/数控车（精车圆盘、粗车两处偏心内圆）→15/数控铣（精铣圆盘方向所有带角向位置要求的结构要素和两处偏心圆）→20/钳（去毛刺）→25/数控铣（精铣带有螺纹的台阶深孔和相关结构要素）→30/钳（去毛刺、攻螺纹）→35/检验（尺寸和表面质量检查）→40/氧化→45/入库。
4.结语
通过数控化改进之后的新工艺相对于采用传统制造技术加工的原工艺，其加工方案更为优化、更为合理。数控化改进之后的新工艺，其工艺流程简化、加工工序短、内容集中且零件加工质量稳定，具有更强的现场生产指导性。新工艺在加工过程中所需的专用工艺装备仅7种，比原工艺更为简化，且不再需要使用昂贵的车工夹具、铣工夹具、法兰盘及钻模等工艺装备，同时降低了专用工艺装备的制造成本和管理成本。另外，新工艺数控化改进之后，加工过程简化、加工工序简单，使得零件加工过程的准备工时和加工工时大幅度减少，降低了生产工时的成本。
作者：凯迈 单位：（洛阳）机电有限公司
