软质金属零件加工居然有这么多难题！

夹具超人 · 发表于 2019-3-8 09:38:27

某金属密封衬垫零件的加工案例

1.工艺分析

某金属密封衬垫零件如图1所示，零件材质为纯铝1060，加工数量500件。零件为薄板环状结构，外径Φ13.5mm、内径Φ6mm、厚度3mm，零件两个端面需加工三条90°环形槽，用于补偿软金属在压缩状态下的变形空间，零件表面粗糙度为Ra1.6μm。

图1 金属密封衬垫结构示意图

零件结构形状简单，加工工艺也非常简捷，零件毛坯采用直径Φ20mm的软铝棒料，在数控机床上，一次装夹先加工好工件的内孔、外圆以及一个端面，再切断工件加工另一面。在另一端面加工中，零件毛坯厚度已减至3.2mm，零件再加工的装夹较为困难，考虑零件材质较软，零件二次装夹加工分别采用了三爪自定心软爪卡盘装夹和两瓣块夹具夹紧。

这两种装夹形式均不稳定，在夹紧状态下，零件圆周上还存在受力的非均匀性，部分加工件夹持力太小，车削过程会出现工件“打滑”，而部分加工件夹持力偏大，零件外圆表面就会被“夹伤”。

2.内衬芯轴夹具的设计分析

作为批量生产的装夹夹具，首先应定位准确，保证工件装夹后的重复定位精度，使工件的中心与车床主轴回转中心重合，同时工件的轴向定位面与夹具定位件基面保持良好的接触。零件在端面车削加工中，切削力随端面的结构形状变化而变化，为避免车削过程装夹不当引起的不确定性，需要将夹紧力控制在一个较稳定的范围，而依靠手工控制的夹紧力存在较大的随意性。

图2 内衬芯轴夹具装夹示意图

夹具体的安装孔还需进行二次再加工，以保证定位基准准确，在机床上拧紧螺帽，按工件外径配加工出安装孔，控制过盈间隙约0.02mm，后期工件的装卸仅需松开或拧紧螺帽。当夹紧力不足时仅需取出芯轴，修小芯轴的外径，增大夹具体压紧状态下的变形量。手工装夹的过大夹紧力，几乎都传递至芯轴，不会对工件产生影响。同时芯轴后端设有弹簧顶杆，起辅助推出工件的作用。

图3 内衬芯轴夹具及加工效果图片

星形轮盘状零件的加工案例

1. 工艺分析

本案例中的的星形轮盘就是一个铝制异形薄壁轮盘状零件，是一类超高速包装机的重要部件之一。星形轮盘材质为5083铝合金，零件厚度小仅为6mm，成品零件为成对的八爪轮辐状外形。图4显示的是零件毛坯以及成型零件外形。

图4 零件毛坯及及成型外形

加工完成后的平面度要求较高，机加工完成后平面度要求不大于0．03mm，镀层后平面度不大于0．05mm，这些条件导致零件的加工较为困难，报废率居高不下。

导致零件报废的直接原因就是零件变形使平面度达不到设计要求。

而原有工序为：磨削→水切割→铣削成型，磨削过程中采用真空吸盘吸附。

高速磨削产生的热量容易造成平面的局部变形。且真空吸盘磨削过程中，无法对零件局部调整，很容易造成凹型结构。磨削后，应力没有释放的铝板，直接水切割外形，这个过程，材料去除量高于60％，零件由方形变成轮辐状，很难控制外形的变化。

那么如何消除应力的影响，同时如何保证零件的磨削质量就成了关键，得从改进工艺和设计控制工件变形的夹具两方面入手。

2.工艺改进

星型轮盘的加工，如果单纯采用薄壁零件的工艺路线(先成型后磨削)，很难保证其变形量在工艺要求范围之内。

在详细分析零件外形和加工特性后，改进成一套新颖的工艺方案，先半精磨一面获得精基准，然后水切割外形释放结构造成的内应力，接下来热处理去应力，稳定材料组织结构，最后配合工装，精磨两面保证平面度符合工艺要求。

图5 已完成水切割及去应力的零件

3.专用工装夹具设计

在保证夹紧力足够的同时，也要防止夹紧力对零件平面度的影响。工装在磨削过程夹紧力适当，同时保证有效的支撑。

图6 专用工装夹具简图

（1）工装上有4个凸台，并在上加工了M4螺孔用于定位零件的主要位置，并利用螺孔提供一定的夹紧力；

（2）在大平面上根据星形轮盘的轮辐位置加工了20个M12x1．5螺孔，用以放置浮动支撑；

（3）上下双层的设计能够在使用工装时方便地对浮动支撑进行调节，可以减少螺孔对工装底面的影响，方便拆装；

（4）在每个轮辐的侧面加装了夹紧块，提供一定夹紧力，以保证零件在加工时较为稳固地固定在工装上。

图7 工装的实际应用图

高精度U形薄壁铝支座零件的加工案例

1. 工艺分析

图8 U形薄壁零件图

该零件为设备系统支座,需求量为单件小批量,材质为硬铝合金,加工精度高，壁厚最薄处为2mm,为典形U形薄壁类零件。对小批量加工而言,该U形件的内腔加工一般选用五轴加工中心，使用五轴加工中心的最大优点是因为五轴加工中心主轴可摆动,其夹具需求及制造过程相对简单。

但该U形件内腔材料切削余量大、加工余量不均匀,导致切削过程时间较长,在内腔精度不高的情况下使用高价值的五轴加工中心来完成工作,会使加工设备负荷增大,导致成本增加、效率低下。

所以在同等效率的基础上,通过设计合适的夹具,采用三轴立式加工中心来加工内腔。

2. 夹具设计

实现技术上五轴转三轴的加工是中小型企业面临的问题,提高高精度异形件的精度、降低加工成本也是企业技术难关。如果采用三轴来代替部分五轴加工的话，又会有新的问题:

当用三轴铣削靠近底部时,刀具悬伸过长,就必须使用非标刀具；受半精加工影响,精加工余量分布不均匀,刀具的刚性更差,加工过程中振动加剧,铝件表面质量和加工精度无法保证。

因此,在零件刚性一定的情况下,必须提高刀具的刚性,减少非标刀具使用，需要从专用夹具设计入手。

U形件两侧面与底部弧面交接处是加工的盲区,在不使用非标刀具的前提下,设计如图9所示的专用夹具。

图9 专用夹具设计

图中U形件依靠其定位基准面在定位体上定位,校正夹具侧面平行于机床X轴,找正夹具体上的工艺孔(工艺孔与定位体在夹具上有严格的位置关系),确定夹具和零件在机床上的位置,从而用标准立铣刀或球头立铣刀进行铣削。定位体与夹具体之间是以活动插销定位,加工完一侧后,松开夹具定位体,拔出定位插销,U形件随定位体旋转180°后重新插上定位销并锁紧,即可用同一程序铣另一侧。

（来源夹具侠）