摘要：以精密異形滑塊加工為例，結合已有的加工設備，對精密零件在機床加工中的變形系數進行分析，總結出影響產品質量達標率的因素，通過改變裝夾方式和工序步驟來優化工藝方案，最終加工出合格的產品。
隨著機械加工行業的發展，客戶對產品精度的要求越來越高。在醫療、消費電子、汽車和航空航天等領域，通過數控機床直接加工出高精度產品的現象越來越普遍。同時，高精度三軸加工中心和五軸加工中心的出現，大大增加了零件加工的可選擇性，通過對工藝參數、機床選擇、刀具性能、夾具設計以及基準等制造要素的選擇和優化，可大幅提升產品質量和加工效率。本文以精密異形滑塊加工為例，通過對不同加工工藝的對比，分析影響加工質量的因素，從而得出優化的、合理的加工工藝，制造出高精度要求的精密零件。
精密零件外觀如圖1所示，零件形狀復雜，加工要素多，確定加工工藝前，需要對其從材料、尺寸公差和形狀特征等方面進行分析。
（1）材料分析：原材料采用日標C3604黃銅。C3604屬于易切削黃銅，具有極好的切削性能，強度高，組織致密均勻，耐蝕性好，且具有加工銅屑均勻細小、加工表面光潔等特點，適用于高速自動加工。
（2）尺寸公差分析：零件加工圖樣如圖2所示。由于所需加工的精密零件是用于設備儀器上，所以尺寸精度、公差精度要求較高。由圖樣可知，公差等級為IT7，其表面粗糙度值達到Ra=0.8μm，其他未注公差按照GB/T 1804-m，未注形位公差按照GB/T 1184-K。在尺寸公差精度要求高的情況下，工藝規劃顯得尤為重要。
圖1 精密異形滑塊外觀
圖2 零件加工圖
（3）形狀特征分析：如圖2所示，所加工零件由直線槽、沉孔、螺紋孔和曲面等組成，形狀復雜，每個面都存在特征，所以需要采用最少兩次裝夾的加工方法，且根據圖樣要求，其同軸度、垂直度等位置精度要求高，大大提高了加工難度。如何保證其位置精度無誤差，需要定制合適的加工工藝方案。
為了保證零件的合格率，綜合考慮已有的加工設備，首選DMG HSC 75五軸加工中心進行加工，目的是為了保證一次成形，既避免了因多次裝夾產生的位置誤差和重復誤差等對加工精度的影響，又降低了加工成本，節約了生產時間。
C3604黃銅材料單價高，為降低成本，減少被切削材料體量，選擇棒料為毛坯，并采用三爪自定心卡盤更好地控制零件的位置精度。因為材料是黃銅，對刀具無太大的要求，直接選擇普通的硬質合金刀具對其進行加工。此外，為了保證加工質量和合格率，專門制定了合理的加工工藝方案，采用五軸加工中心一次成形。表1所示為程序工藝單，程序模擬時間為1h15min10s，實際加工時間為2h10min。零件加工完成后，根據圖樣要求進行尺寸和位置精度檢測。為了保證檢測數據的準確性，采用工業掃描儀檢測。圖3所示為檢測報告。
由圖3所示檢測報告可知，零件的位置精度出現較大誤差，達不到要求。雖然采用先進的五軸加工中心一次加工成形，減少了零件裝夾次數和加工時間，提高了加工效率，降低了加工成本，但在頂部曲面和沉孔的側面精度上存在較大誤差。為了找出原因，重新試加工了產品。在加工頂部曲面時，為了測試出現位置誤差的問題所在，更改切削參數，從檢測結果得知，曲面不合格的問題依然存在。檢查機床的加工精度誤差、主軸回轉誤差及傳動誤差等，都在合格范圍內；檢查夾具的誤差，在合格范圍內，也不存在刀具磨損誤差的問題。
在精密異形滑塊的數控加工過程中，由于各種因素的影響，使刀具和工件的相對位置發生偏移，產生了加工誤差，使得加工出的零件不符合要求。經過分析認為，精密異形滑塊加工過程中的主要誤差來源如下：
（1）刀具系統的位置誤差。刀具過長引起刀具擺動，從而產生刀具旋轉誤差。
（2）精密異形滑塊與夾具系統的位置誤差。在優化前的不合格因素主要來源于夾具，裝夾時由于伸出加工部位較長，在加工過程中容易產生晃動，不能很好地完成加工，使刀具與材料的位置產生了變動而引起誤差。
表1 程序工藝單
序號程序名稱刀號刀具名稱刀具規格加工深度/mm余留量（單邊）/mm加工時間1 01-18-D12-BJ 2合金銑刀D12 -85.79 0 0h03min36s 2 02-19-R1-BJ 9球頭刀D2R1 21.206 0.3 0h00min09s 16球頭刀D2R1 -38.593 0.05 0h07min14s 3 03-20-D6-DJ 13合金銑刀D6 -78.04 0.4 0h00min28s 4 04-21-R0.4-QJ 12球頭刀D0.8R0.4 -37.877 0.05 0h04min00s 5 05-22-D12-GD 2合金銑刀D12 -85.79 0 0h03min36s 6 06-24-D8-GD 3合金銑刀D8 -25.819 0.3 0h00min18s 7 07-25-D4-GD 1合金銑刀D4 -16.578 0.3 0h00min12s 8 08-26-R0.5-GD 10球頭刀D1R0.5 -40.41 0 0h23min09s 9 09-27-R0.2-QJ 11球頭刀D0.4R0.2 18.178 0.02 0h02min31s 10 10-28-D12-ZF 1球頭刀D0.8R0.4 -40.084 0.02 0h00min09s 11 CESHI-000 2合金銑刀D12 -85.956 0 0h03min04s 12 11-28-D7.8-JK 6合金銑刀D7.8 -16.07 0 0h00min30s 13 12-29-D8-JK 7合金銑刀D8 -16.07 0 0h00min23s
圖3 檢測報告
（3）編程計算誤差。進行CAM編程時，生成刀位軌跡的算法或精度不夠而產生誤差。
經過反復檢查機床、刀具、夾具、潤滑、檢測及工件等可能出現的問題，最終決定從加工工藝下手，更改加工工藝方案。
該零件需要加工的特征可劃分為平面、直線槽、弧形槽、沉孔、曲面和螺紋孔六部分。另外此次準備的毛坯是方料，有大量的材料需要去除，由于每個表面的加工要求都有所不同，因此在安排工序時，為了保證銅件的加工質量、生產效率、經濟性和加工可行性，要遵循工序集成、基準先行、先粗后精、先主后次、分面加工和先面后孔的工藝原則。
根據上述工藝原則，粗加工的任務是盡快切除大量精密異形滑塊各個表面多余的材料，加工出精密異形滑塊過渡毛坯和基本形狀；精加工的任務是取得加工精度和表面質量。同樣是選擇DMG HSC 75機床（見圖4a）進行加工，增加DMG 835V三軸立式加工中心（見圖4b）。選擇DMG 835V三軸加工中心粗加工外形、直線槽和沉孔等，去除表面大量材料，生成加工余量比較均勻的表面，為精加工做好準備。分正、反面加工，圖5a所示為三軸加工中心加工模擬路線。選擇DMG HSC 75五軸加工中心精加工，提高加工精度，保證加工零件各項要求符合客戶的需求。圖5b所示為五軸加工工藝模擬路線。
毛坯的外形、尺寸直接影響工藝的確定，余量多則首先需要去除大量毛坯。毛坯的外形、尺寸越接近異形滑塊的設計造型，所消耗的材料和加工時間越少，所以毛坯的選擇要依據零件的結構和尺寸、生產類型、零件的材料和現有的加工條件。因此，將異形滑塊的毛坯形狀選為方料，根據異形滑塊的特征和加工過程中裝夾的需要，擬準備毛坯尺寸為80mm（長）×22mm（寬）×40mm（高）。
精密異形滑塊每個面都存在特征需要加工，需要通過CAD/ CAM軟件優化刀具路徑軌跡。因此選擇PowerMILL CAM軟件對精密異形滑塊進行刀具路徑軌跡的生成，這樣做可以縮短工藝路線和輔助時間。
在異形滑塊加工過程中，為了滿足加工對象定位基準的位置度要求，以便接受加工、檢測，必須采用附加裝置，即夾具。考慮到工序類似和基準問題，在DMG 835V三軸加工中心和DMG HSC 75五軸加工中心都采用米其林油壓虎鉗夾緊。
優化前的工藝方案和產品檢測報告，其主要問題都集中在零件加工過程中產生變形，造成零件尺寸超差，出現位置精度誤差。因此需要對加工中的變形進行控制和預防。通常控制變形的方法有：
圖4 加工所用機床設備
圖5 加工模擬
（1）改進工藝方案。更改工序，在保證精度的前提下，適當調整加工機床，調整夾具，增加輔助裝置，增加剛度，將變形控制在一定范圍內，甚至無變形。
（2）改進切削參數。提高切削速度，降低切削區域溫度，改變切屑成形和去除機理，降低切削力，從而減少變形。
（3）改變工藝路線。在三軸加工中心先去除大余量，再到五軸加工中心一次性精加工完成。
（1）在三軸加工中心上對大部分的外形進行粗加工，對三個基準面進行精加工（見圖6），保證其尺寸精度和位置精度，以方便下一步的加工。
（2）在五軸加工中心上對已加工的外形進行精加工，用已加工好的三個定位基準分中。制定加工路線如表2所示。
采用優化前的工藝方案，加工出來的產品不符合客戶要求；采用優化后的工藝方案，產品合格。其最大變動就是工序的變化，將原先由五軸加工中心一次成形可以加工完成的工步，分成采用三軸開粗、五軸精加工來完成。由此可知，原來的問題所在就在工件加工、裝夾上。經過分析，在五軸加工中心上完成粗加工，因切削量大，且裝夾長度短，直接導致加工件在加工中擺動，從而影響了位置精度。改變裝夾、加工方法后，順利完成了工件的加工，最終經過反復試驗，產品合格率為100%。優化前、后數據對比如表3所示。
圖6 基準面
表2 數控加工工藝流程
工序號工序內容刀具號主軸轉速/（r·min-1）加工余量/mm 1進給速度vf/（mm·min-1）下料80mm×22mm×40mm――――2油壓虎鉗夾持毛坯――――3三軸立式加工中心粗加工――――4正面外形挖槽開粗T1 10 000 2 000 0.3 5正面外形挖槽開粗T1 10 000 2 000 0.3 6精加工定位基準T2 11 000 1 000 0 7五軸加工中心精加工――――8利用定位基準分中――――9 2D外形精加工T2 11 000 1 000 0 10 3D曲面精加工T3 14 000 1 000 0 11檢驗―
表3 優化前后數據對比
項目優化前優化后設備DMG HSC 75五軸加工中心DMG HSC 75五軸加工中心DMG 835V三軸加工中心夾具三爪自定心卡盤油壓虎鉗刀具硬質合金銑刀硬質合金銑刀材料銅料C3604（棒）銅料C3604（方）尺寸不合格合格位置精度不合格合格時間2h10min 2h40min合格率10% 100%
加工方法多種多樣，如何找到適合的工藝方案，則需要根據實際加工條件來制定，這樣才是最有效率的。對比優化前與優化后兩套加工工藝方案，雖然優化后的方案工序增加，所占用的加工時間較長，但成品合格率為100%，無廢品，從而滿足了客戶需求，提高了生產效益。