摘要:本文通过对几类常见铸件机箱零件垂直面的常规加工方法归纳总结,提出一种可在数控机床上进行插铣的加工方法。该方法相对于普通插床具有效率高、加工表面质量高及可程序控制等优点。目前已推广应用于各类航空惯导、飞控铸件机箱的插铣加工中。
铸件机箱及框架类零件内腔均存在元器件安装定位的垂直面,由于该垂直面为安装定位面,其尺寸精度和形位公差精度要求往往很高。常规加工方法是利用普通插床插铣或者电火花加工,此类加工方法虽能达到产品要求,但存在制造周期长、工人劳动强度大且受工种限制等因素,导致产品交付困难,无法满足分厂快速发展及客户的需求。为有效解决此类铸件机箱产品的生产瓶颈问题,一种基于数控机床的插铣加工方法应运而生。该方法基于数控机床的垂直运动,设计制造一种插铣刀具,达到比普通插床加工精度更高的技术要求。本文选取三类典型铸造零件进行深入的工艺分析,通过对各类加工方法的提炼总结,提出一种基于数控机床的插铣加工方法,解决机箱产品垂直面的加工难题,并得到产品验证。
1.垂直面常规加工方法
(1)安装座。安装座有三处垂直面,如图1所示,垂直面高96mm,对底面垂直度为0.03mm,表面粗糙度值Ra= 1.6μm。
安装座的三处垂直面主要有两类加工方法:①数铣→电火花→钳工。②数铣→普通插床→钳工。
两种加工方法的主要缺点:一是加工制造周期长;二是产品质量不高。两种方法加工时间如表1所示。
方法1采用电火花加工,不仅加工时间长,而且表面质量差。
方法2采用普通插床加工,由于垂直度要求很高,不能采用活动刀头,只能用固定刀头装夹刀具,导致刀具在零件表面往复摩擦,刀具使用寿命大大缩短,同时产品加工表面质量较差。
此外,两种方法皆需要依靠钳工对垂直面进行打磨抛光,导致工人劳动强度大,生产效率低,无法满足大批量稳定化生产的需要。
(2)机箱。机箱内腔有4处圆凸台面,如图2所示,4处圆凸台面要求共面,对机箱底面的垂直度为0.02mm,表面粗糙度值Ra= 1.6μm。
主要加工方法:数铣→普通插床→钳工。
缺点:加工制造周期长。数铣加工时间120min,电火花120min,钳工打磨180min,加工时间共计420min。
机箱内腔4处凸台面高出机箱内壁仅1mm,靠近机箱底面的两处圆凸台距机箱上表面170mm,超过加工中心机床行程,故无法用铣刀加工。采用普通插床加工,由于此零件精度要求高,无法用活动刀头加工,只有通过插削加工,留少量余量,再由钳工研磨的方法加工,这样工人劳动强度大,生产效率低,不能满足高效生产需要。
(3)内框架。内框架垂直面如图3所示。内腔垂直面对上表面的垂直度为0.02mm,相对距离为180mm,高度为130mm,表面粗糙度值Ra=0.8μm。
主要加工方法:数铣→普通插床→钳工。
缺点:加工制造周期长。数铣加工时间240min,普通插床120min,钳工打磨210min,加工时间共计570min。
内框架刚度差,技术要求高,如果采用慢走丝线切割加工,可以一次保证质量要求。但一方面铸件中存在少量的杂质或夹渣,该类物质不导电,从而导致线切割加工过程中,钼丝漂移,错误切割到非加工的导电部位,导致零件报废。另一方面慢走丝线切割加工成本高,效率低,不能适应快速、高效的生产需要。
采用普通插床加工面,由于产品精度高,插削刀具在零件表面往复摩擦导致刀具磨损大,无法保证垂直度和表面粗糙度质量要求,必须留少量余量,由钳工研磨,保证产品的各项技术要求。
综合上述三类典型铸件零件垂直面加工分析可知:常规的加工方法虽然能保证产品质量,但是制造周期长,加工效率低,生产成本高,工人劳动强度大,无法满足批量化、稳定化且高效快速化的生产需要。
2.解决方案
为解决上述三类零件生产中遇到的相同瓶颈问题,借鉴普通插床的加工原理,结合分厂机床设备特点,提出一种基于数控机床的插铣加工方法。该方法是对已丧失部分功能的VA-35数控机床进行工艺改进,变废为宝,改进后的数控机床可作为数控插床使用,能有效解决上述各类零件的加工难题。
(1)VA-35数控机床改造。由于VA-35数控机床老旧,且定位精度降低,目前只能用于零件精度要求低的粗加工。虽然机床做旋转运动的精度降低,但是机床主轴做上下往返运动的精度是完好的。考虑到上述提到的三类零件主要为垂直面加工,结合普通插床的加工原理,若能将数控机床进行改造,只利用其主轴做普通插床的上下往返运动,即可实现普通插床的功能。不仅如此,数控机床较普通插床还具有其他优点:
行程大。VA-35垂直方向行程达450mm,比普通插床行程大250mm。
可实现程序控制,更便于操作,减少人为操作找尺寸带来的不便和误差大的缺点。
可实现单向进给运动。刀具下降至最低点后可利用数控编程,进行退刀,不损伤已加工面的表面质量。
润滑冷却更加充分。
基于上述优点,设计制造一种可用于数控机床的插铣刀具,如图4所示,法兰盘3联接在机床主轴箱端盖上,插刀杆2固定安装在法兰盘3中,配合间隙为0.05mm,插刀杆的前端安装VBGT11 03 04LF刀片1,该刀具的使用可将数控机床改造为数控插床。此类改造未使用机床主轴,对主轴精度无影响。由于留给插削加工余量较小(不大于0.2mm),并且插削铝材切削力小,切削过程无冲击,主轴在下降过程中主轴箱质量远远大于切削力,所以对机床丝杠精度和导轨精度无影响。
(2)机床对比。普通插床的加工原理如图5所示。普通插床在刀具下降至最低点时不能作退刀运动,只能沿已加工面垂直升起,这样刀具通过已加工面时,会不停的摩擦,导致拉伤已加工面,影响加工面表面粗糙度质量。普通插床靠工人手动进给、手动润滑、手动找坐标尺寸,带来人为操作的不确定性,手动操作误差较数控控制大,工人劳动强度高,且生产效率较低。
数控机床经过改造成为数控插床后的加工原理如图6所示。刀具在程序控制下做上下运动,下刀切削时刀具接触加工表面,下降至最低点后,利用程序控制刀具作退刀运动,刀具抬起离开加工表面,回到加工原点。刀片采用VBGT11 03 04LF硬质合金刀片,锋利耐磨,易于更换,能获得较高的表面粗糙度质量。刀具运动靠数控程序控制,零件加工的尺寸精度得到有效控制。此外,通过退刀编程处理可有效控制刀具运动,避免像普通插床插刀的往复运动时对已加工面的拉伤,保证加工面的表面质量。
(3)效果验证。采用数控插床加工后,各类零件的生产效率大大提升,产品质量也得到巨大提高。改善后的安装座、机箱及内框架的主要加工流程为:数铣→数控插铣→钳工,其加工制造时间如表2所示。
从表2可以看出:安装座用数控插铣加工后,加工时间较方法1缩短385min,较方法2缩短265min,生产效率提高至少5倍。零件经过打表测量,垂直度实测为0.015mm,表面粗糙度值Ra=0.8μm,完全符合图样要求。
机箱采用数控插加工:加工时间较常规加工缩短370min,生产效率提高近10倍。零件送三坐标计量中心计量,垂直度实测为0.01mm,表面粗糙度值Ra=0.8μm,完全符合图样要求。
内框架采用数控插加工,加工时间较常规加工缩短440min,生产效率提高近5倍。零件送三坐标计量中心计量,垂直度实测为0.015mm,表面粗糙度值Ra=0.8μm,完全符合图样要求。
通过上述三种类型零件加工验证后,不难发现,零件的实际尺寸精度、形位公差精度及表面粗糙度质量都比图样要求的要高。产品质量得到巨大提高。更重要的是,生产效率得到巨大提高,许多产品按以往要45天交付客户的,经过改用数控插铣加工后,提前7天就可以给客户发货,而且产品质量较之前有巨大提高,受到客户高度赞扬。
3.结语
基于数控机床的插铣加工方法不仅能成倍提高生产效率,缩短零件制造周期,还大大提高了产品质量。与此同时,基于数控机床的插铣加工大大降低了工人劳动强度,为分厂节约大量成本,对分厂降本增效、推行AOS生产运营管理及内部市场化等方面都起到巨大作用,创造巨大经济效益。改善的产品加工方法已纳入工艺文件中,进行固化,保障了产品生产的稳定性。
另外,该数控插铣方法已进行广泛推广应用,如电器盒、外框架等产品。基于数控机床的插铣加工方法得到领导及同事的一致肯定,同时也得到了客户的一致好评,该加工方法取得成功。
参考文献:
[1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2]李庆涛.机床夹具设计[M].北京:机械工业出版社,1984.
[3]臧勇.现代机械设计方法[M].北京:冶金工业出版社,1998.
[4]冯冠大.典型零件机械加工工艺[M].北京:机械工业出版社,1986.