基于复杂曲面零件的工艺设计研究

蒋行波 王小忠

摘 要：随着时代的发展，产品的多元化、多样化、结构形式复杂化，对机械加工工艺的要求也不断提高，工艺创新势在必行。本文对复杂曲面零件进行工艺设计研究，从产品的结构特点进行分析，着重对其工艺方案的研究，包括零件结构的化繁为简、工艺流程的安排、工艺方案设计的关键点分析。

关键词：工艺创新、工艺设计、复杂曲面

1复杂曲面零件的结构特征

本文以桁条为例，零件材料为7055牌号的铝合金 ，属于高强度、高韧性材料，热处理至T76状态后，零件变形较大，硬度较高，在铝合金材料中属于较难加工的一种材料。零件由多个连续不规则的曲面构成，因形状结构不规则，加工时难以确定定位基准，装夹困难。外形R736的圆弧面为直接作用面，要求有较高的强度和韧性，故壁厚为关键尺寸，该处最薄处壁厚要求分别为2、1.5、2，壁厚较薄，长度较长，加工时振动较大，尺寸极难保证。

2 复杂曲面零件的工艺方案设计

2.1 零件结构的化繁为简

基于我厂现有的加工设备（三轴加工中心）和加工能力（仅能加工一些简单的曲面），将连续复杂的曲面零件的内容进行分解，分解为单一的、简单的曲面组合，将零件分解为曲面一、曲面二和曲面三，加工内容的化繁为简，使现有资源能得到充分的利用。

2.2工艺方案设计的关键点分析

2.2.1 基准的确定

分析桁条的结构特点，该零件外形结构不规则，没有相对稳定的定位基准，故定位基准的确定是一大难点。

（1）粗基准：零件毛坯为长方体，故粗基准选用毛坯的几何中心，粗基准位置比较可靠、简单易测量。

（2）精基准：因结构不规则，没有相对容易找到的定位基准，本次工艺方案的关键性难点是如何确定定位基准，结合零件的结构特点，本次工艺方案设计是：增加辅助工艺块，自己设定定位基准（如下图1）。

在零件的两端增加辅助工艺块，工艺块长度方向的两条边垂直于零件的最长直边，定位基准为长度方向的中心和零件直边的交汇处。该定位基准定位可靠，方便测量，半精加工和精加工均可用该基准。

2.2.2 工装的合理设计

精加工曲面一后（如下图2），零件壁厚变薄，与工装板的接触面积变小，装夹困难，易发生倾斜，且存在变形，导致精加工后的曲面二与曲面一易产生错位，为曲面三的加工增加了较大的困难。

为了保证曲面二加工后的尺寸稳定，装夹可靠，操作方便，故本次工艺方案研究为增加辅助工装，增大零件与工装的接触面积（工装示意图如下图4）。为了保证两个曲面不发生错位现象，故两曲面的加工基准必须统一，精加工曲面一时，在工艺块的两端做出两定位孔（如上图2），采用两定位孔定位装夹，精加工曲面二，这样能有效保证两曲面的基准重合统一，保证尺寸稳定，定位可靠。采用辅助工装装夹，有效的解决了零件壁厚较薄，接触面积较小，装夹困难的问题。

2.2.3 工艺方法的选择

根据工艺流程安排，划分为三个阶段：粗加工——半精加工——精加工。

粗加工阶段：去除多余余量，选较大尺寸的刀具，选用大的吃刀量和切削速度，缩短加工时间，一般以提高生产率为主，兼顾经济性和加工成本，但该阶段切削力较大，要防止零件的松动。

半精加工阶段：进一步减少余量，该阶段要注意控制零件的变形和余量的保证。

精加工阶段：该阶段要在保证质量的前提下，兼顾切削效益、经济性和加工成本，要着重注意控制零件的变形，工件的定位可靠稳定，产品尺寸的有效保证，加工工序的先后顺序，以及装夹的方便，稳定可靠。加工过程中采用试切的方法，观察零件的振动情况，并进行尺寸的检测。试切过程中通过不断调整切削用量（包括切削速度的控制、进给量的控制、及背吃刀量的控制），以达到最优的结果。

2.2.4 刀具的合理选择

根据机床的加工能力、工件材料的切削性能、工序内容、切削用量等因素，合理选择刀具，综合考虑生产率、刀具的耐用度，以达到适用、安全、经济的目的。粗加工选择较大尺寸的刀具，精加工要求准确加工出每个细微结构，选择小尺寸的刀具。

桁条由连续不规则的曲面构成，故选用刀尖带有R的立铣刀，铣削方式如下图4，零件为曲面，可以看做由许许多多细小的圆弧面构成，刀具铣削圆弧时，刀尖圆弧R上一点始终与圆弧面相切铣削，利用直线插补的方法，加工出所需要的曲面。

3效果验证

从现场的情况来看，通过本次工艺方案研究，该零件装夹方便可靠，尺寸能得到有效的保证，本次工艺方案合理可靠，能较好的实现复杂曲面零件的加工，提高了自身的竞争力，为同类型零件的加工奠定了基础。

4结论

综上所述，产品多样化复杂化是时代发展的必然趋势，只有技术的不断创新，才能更好的适应市场需求，不被市場所淘汰。本次工艺方案研究，从零件的结构特点出发分析，合理选择加工方法，合理选用定位基准，实现了装夹稳定可靠，尺寸得到了有效保证，为后续类似零件的工艺方案设计奠定了基础。

参考文献：

[1]胡占齐，杨莉.机床数控技术.机械工业出版社.2010.1：22-23.

[2]关慧贞，冯辛安.机械制造装备设计.机械工业出版社.2009.11：6-32