接头零件工艺方案的优化与改进
时间：2023-04-22 18:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
欧阳阿宁，石鑫，熊洪源，万建平，敖晓晖，苏校峰，王忠建
南昌新宝路航空科技有限公司 江西南昌 330024
某接头零件6个面均需加工，槽口有一定的尺寸精度要求，材料去除量较大。其初始工艺方案主要采用线切割+普通铣削+磨削的加工模式，其中90%的工作内容集中在线切割和磨削上，线切割主要加工出零件外形，磨削保证最后的尺寸精度。实际生产中，线切割加工耗时较长，磨削工作量也极大，零件的加工效率极低，不适合批量加工。现对该接头零件的工艺方案进行优化改进，提出两种方案，并进行对比论证，从而找出适合批量加工的工艺方案[1，2]。
图1为接头零件结构，材料为30CrMnSiA高强度合金钢，热处理后抗拉强度σb＝（1175±100）MPa，多用于飞机、导弹上的主要受力零部件。从结构上看，接头零件的前、后、左、右、上和下各面（以A～F表示）均有一定的加工内容，需要多工位反复加工。另外，该零件尺寸精度等级最高为IT8级。
图1 接头零件结构
1）由于受来料自由锻毛坯尺寸限制，实际工艺编排中，并没有多余的区域设置工艺孔及装夹孔，也没有足够的区域放置压板，故初始工艺方案采用虎钳进行定位、装夹，以满足加工需求。在实际生产中的确成功加工出了几批零件，然而在加工过程中，一直存在辅助装夹时间长，线切割等主要工序加工效率低，在线测量难度大，极易产生错误的测量结果等问题，致使零件批量生产报废率高，表面质量不好。
2）零件6个面均有加工要求，通过多工位虎钳装夹加工的方式，势必造成定位误差的累积，导致零件各相关联的尺寸难以保证。通常，想要一次性装夹零件并加工多个工位，原则上会采用五轴数控机床，但考虑到公司五轴机床的产能制约，暂定采用三轴多工位加工方案，在加工过程中需要反复进行基准校正，并增加一定的防差错手段（例如增加半精加工程序，加工完毕后根据实测值调整）。
3）零件毛坯为自由锻件，是金属材料通过冲压、塑性变形而得到的，材料内部存在较大的残余应力[3]。此外，零件粗加工后还要进行淬火、时效处理，此过程中也会出现较大变形。为此针对上述问题，进行消除变形量的工艺改进。
方案一工艺流程为：加工基准面→三轴粗、精加工A面→三轴粗、精加工B面→三轴粗加工C面→三轴粗加工D面→三轴粗加工E面→三轴粗加工F面→热处理→三轴精加工E面→三轴精加工F面→三轴精加工C面→三轴精加工D面→铣削→钳加工→半成品检验。
方案一主要采用三轴数控多工位加工方式，摆脱了初始方案中线切割和磨床的低效加工。考虑到零件加工中途需要进行热处理，一般热处理后零件或多或少都会产生一些应力变形，因此在工艺安排上需要考虑上述因素对后续加工的影响。
综上，方案一将零件的加工流程大致划分为：一般尺寸的粗、精加工到位，粗加工精密尺寸部位，热处理，精加工精密尺寸部位等几个主要的加工阶段，并合理安排每阶段的加工余量和工序内容。
方案一存在的主要问题为：工艺流程在三轴机床上共有10个工位，需要装夹、校准10次，人为因素对零件质量的影响比较大，基准难以统一。为保证加工精度，需要耗费大量辅助时间，加工过程过于繁琐，效率低，零件加工周期较长。
方案一虽然比初始工艺方案优越，但是并没有很好地解决接头零件加工效率低、报废风险高及质量不稳定等问题。
方案二工艺流程为：加工基准面→三轴粗、精加工A～D面→三轴粗加工E面→三轴粗加工F面→热处理→三轴精加工E面→三轴精加工F面→三轴精加工C面→三轴精加工D面→铣削→钳加工→半成品检验。
在方案一的基础上，方案二主要设计并投入使用一套工装夹具来减少装夹次数，从而降低人为因素对零件精度的影响，同时缩短人工辅助装夹时间，以达到提高零件质量和加工效率的目的。通过分析零件结构特点，将方案一中三轴数控粗、精加工A～D面的内容整合成一道工序，此时采用一套可以旋转360°的侧装卡盘，即可实现一次装夹加工4个工位面的目的，而后续工序则继续沿用方案一的工艺流程。可旋转卡盘及零件的装夹如图2所示。
图2 可旋转卡盘及零件的装夹
两种工艺改进方案加工的零件一次交检合格率及典型尺寸合格情况对比见表1。
表1 零件一次交检合格率及典型尺寸合格情况对比 （%）
按流水形式作业，每道工序安排一台数控机床，两种方案数控加工时间对比见表2。
表2 数控加工时间对比
试验数据表明，方案二的产品合格率和加工精度明显优于方案一，并且节省了大量的加工辅助时间，减少了占用机床数量。
实践表明，工艺改进方案二非常适合接头类零件的批量加工，可大幅提高产品质量和加工效率，零件的典型尺寸得到保证，批量生产合格率基本达到100%，节点交付周期明显缩短，达到了改进目的。该方案同样可以借鉴应用于其他需要多工位、多面加工的零件。
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