数控加工中心批量生产铝合金零件的方法

　　在实际生产中，当铝合金零件批量不大、款式较多、尺寸较小的情况下，利用铝合金压铸模具的方法生产零件就会显得非常不经济，且周期较长。这种情况下，笔者以“发烧级遥控油动赛车的齿轮箱组件”加工方法为引例，对如何利用加工中心，采用合理的加工工艺及科学的装夹方法批量生产铝合金零件进行了探讨。

　　在目前的轻工产品开发时，结构零部件的选材一般有塑料、冲压钣金件、铝合金压铸件、橡胶件等，而采用铝合金压铸件有以下一些优点：可以满足较快速的大批量生产，只要生产出铝合金压铸模具，装上压铸机就可以生产，而且批量零件的尺寸稳定性较好，加工余量比较少，节约材料，经济性比较好。另外铝合金零件的机械强度虽比不上钢铁零件，但相对塑胶零件强度大得多，完全可以满足日用工业制品的要求，而且，铝合金密度相对较小，比钢铁材料轻得多，散热性能良好，在工业产品中得到越来越多的应用。像摩托车的齿轮箱外壳就是用铝合金压铸件制造的。

　　前段时间，学校拓展部接到一批“发烧级遥控油动赛车的齿轮箱组件”的生产订单，该齿轮箱组件由上盖(蓝色部分)和下盖(橙色部分)组成，如图1所示。

　　这批产品的生产要求如下：(1)采用铝合金材料，生产数量不多，每款只有一千件，但款式有十几款。(2)客户对铝合金零件的要求比较高，第一，要求零件的尺寸精度高，许多关键尺寸公差要求在0.02毫米以内;第二，作为外观零件，要求表面光洁度达到镜面级，然后通过阳极氧化着色，使色彩变得绚丽夺目。由于批量太少，这种情况下假如开铝合金压铸模，成本很高，非常不合理，而且开模的周期也比较长;由于零件的尺寸精度及表面光洁度要求高，如果用铝合金压铸模生产铝零件，表面质量是很粗糙的，再通过打磨、抛光等方法处理，也难以达到氧化着色的光洁要求，且费时费力。

　　如何在零件批量少、款式多、尺寸精度及外观表面光洁度要求高的前提下，满足客户的要求，为客户提供合格的产品呢?笔者经过生产实践，利用数控加工中心，采用合理的加工工艺及科学的装夹方法，完成产品的加工。下面就以齿轮箱组件的下盖为例，介绍其加工工艺方法和数控加工过程，上盖的工艺方法和加工过程与下盖类似，这里不再详述。

　　一、加工工艺分析

　　简化看下盖零件主要由顶面(A面)和底面(B面)组成(见图2)，特征的生长方向均是上下方向，方便用立铣刀作Z轴上下运动和作XY平面运动，且零件周边没有侧向孔，是典型的三轴加工。加工思是开出一整块铝材，在数控加工中心上装夹好，先编程加工A面特征，然后反过来装夹加工B面。关键是如何在机床上批量地生产零件和如何解决装夹的定位问题，两次装夹零件的中心是重合的。

　　通过建立三维模型，生成模型的边界盒，零件的长、宽、高分别是48.84mm×50.0mm×22.30mm(见图3)。由于单个零件的尺寸不大，一条铝材可以排5个零件(即可以加工5个零件)，加工中心至少一次可装夹3条铝材，即一次装夹可以完成15个零件的单面加工。

　　二、齿轮箱组件下盖数控加工工艺过程

　　1.开料

　　材料采用6063牌号铝合金挤压型材，挤压型材市场上可以直接购回，由于型材采用高压挤压出来，材料的致密性较铝合金压铸要好，材料内部(如砂眼等)的缺陷少，强度高，切削加工性能好。另外，6063牌号铝合金的氧化着色性能较好，综合考虑后选用。挤压型材的截面有多种尺寸，我们选用一种比零件截面稍大的，长度按能排下5个零件去锯断，一条铝材排5个零件，生产一千件零件就要锯出二百多条材料。如图4所示。

　　2.定位装夹

　　加工的前期工作需要准备一块底板，底板夹紧在机床上不动，而铝材则通过螺丝锁紧在底板上，加工思是：先逐一把二百多条铝材的A面都加工出来，然后再装夹加工B面。

　　由于加工定位、分中对刀均在底板上进行，底板各面的平行度及上、下底面的平面度显得非常重要。为能加工要求，对底板作如下工艺处理：

　　(1)底板选用厚度约为15mm的铁板制造。

　　(2)先用磨床磨平两个大面，放机床上装夹好。

　　(3)四边铣出直边和用来分中，以确定加工原点。

　　(4)编写钻孔程序，在底板的两端各钻4个定位孔，然后人工攻好螺丝牙(如图5所示绿色部分)。所钻几个定位孔目的是用来快速装夹锁紧工件。在加工A面特征时，用底板的四个螺丝牙锁紧铝材(图6中紫色部分)。加工B面特征时，则用另外4个螺丝牙。加工A面时，内六角螺丝的定位要求不高圆筒形灯罩照明设备注塑模设计，4个螺丝兼锁紧及定位作用。但是由于在加工B面时，必须与A的加工原点重合，此时4个螺丝仅仅起到锁紧作用，而不能用来定位(B面的定位方式在下文详细介绍)。

　　铝型材截好长度后，利用钻底板定位孔的加工程序，在铝型材的两端与底板对应钻定位沉头孔(两面都要钻)托板冲模毕业设计，沉头孔用来放置沉头内六角螺丝，以把铝材锁紧在底板上。由于用同一个钻孔程序，底板与铝材两端的定位孔完全重合，从而实现快速定位加工。

　　在编程排位时，铝材的中心与底板的中心重合，如图6所示。(黄线为铝材的范围，绿线为底板范围，铝材边上铣四个圆孔大有作用，加工时作定位用。)

　　3.对零件A面(顶面)进行编程加工

　　现可以对零件A面进行编程，具体的编程步骤不是本文所述重点，不作详细探讨，但有几个关键的加工工艺要点。

　　(1)选刀。铣削铝零件和铣模具的选刀原则一样，即充分运用大刀开粗小刀清角原则，粗加工要选择直径足够大并有足够切削能力的刀具快速去除材料;精加工要使用较小的刀具，能加工到每一个角落，把工件结构形状完全加工出来。由于铝合金相对钢铁材料较软，故进给率和吃刀量可较大，以8mm平刀为例，进给可以取3000mm/min，Z轴每次进给可取0.5~0.8mm。由于使用加工中心，有刀库可以换刀，所以编程时可根据零件的实际形状选用不同的刀具。

　　(2)光刀。由于零件要求较高的表面光洁度，光刀时要选用新刀具，最好是螺旋角达到55°的铝合金专用刀具，同时进给率打慢一点，则出来的效果就会很光亮。

　　(3)加工B面定位孔。A面的特征铣削加工完成后，必须在每条材料的两旁铣出四个标准8mm的圆孔，深10mm左右，圆孔必须是关于Y轴对称的。A面加工完后的效果图如图7所示，两端的四个大圆孔将用以(B面)加工装夹时的定位孔。

　　4.B面(底面)定位

　　A面加工完后，底板无需拆除，也不用重新分中，加工原点不变。接着以A面编程时的四个定位圆孔中心的编程，对底板钻出四个直径5.1mm的孔，并人手攻m6螺丝牙，然后锁上四个M6内六角螺丝，如图8所示。一般M6内六角螺丝头的直径为10mm左右，接着编程，把四个螺丝头铣至直径为7.95mm，并用挫刀去除批锋，这样，前期工作就完成了。加工B面时，把铝材翻过来，把A面四个8毫米圆孔对准底板上的螺丝头，用胶锤敲打铝材进去，完成B面的定位，然后用沉头螺丝把铝材收紧在底板上，完成装夹。

　　分析一下：由于编程铣削顶面(A面)特征、铣削A面定位圆孔、铣削底板上定位螺丝头、铣削顶面(B面)特征时，加工原点都相同，是同一个中心，所以加工出来的零件顶面跟底面中心是重合的。这种方法比逐个零件加工顶面，接着做夹具定位加工底面的方法要快速和准确得多。

　　B面编程时加工原点不变，零件间距与A面一致。

　　5.对零件B面(底面)进行编程加工

　　铝合金压铸模加工零件反过来装夹好后，即可对B面(底面)进行编程序加工，编程及加工工艺关键点与A面(顶面)相似，但有一处工艺必须注意，那就是最后的切断步骤。A面加工到最后一刀时，由于铝材还是一整条料冲压毕业设计，还是锁在底板上，因此不用担心零件会松动。但加工B面到最后一刀切断时，零件与铝材会彻底分离开来，如图9所示。假如不先把零件锁紧在底板上，零件会在将近完全切断时飞出去，导致损坏报废。所以程序在走到切断一步前，要暂停下来，由于零件上本身有几个通孔已加工出来，可以在通孔上穿上几个M3内六角螺丝，把零件锁紧在底板上，当然底板上相应要预先钻孔攻牙。假如零件没有通孔，可以考虑用压板压住零件，但切断就要分两次进行，不然就会切到压板。

　　四、结束语

　　本文主要探讨了用加工中心批量生产零件的一种方法。

　　与用压铸模具生产零件的方法相比较，它避免了在小批量零件制造时要开模具的不经济性，生产周期大大缩短。同时，正确的装夹定位及合理的加工工艺使加工出来的零件有较高的精度及表面光洁度，这是压铸工艺所达不到的。而且，挤出铝型材的致密度比较高，所加工出来的零件强度比压铸件要高。另外，这种方法是区别于一般的单个零件机加工生产的，它可以批量地生产出一床零件。如果机床的工作台够大，底板就可以做大些，一次可以排上几条铝材，则加工效率可进一步提高，换刀次数相对减少。最后如果零件的侧面有特征要加工，例如有圆孔要钻，则零件在B面切断后，要制造夹具，装好零件再加工。

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