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      摘要: 針對激光切割機切割頭支架加工精度不穩定問題，分析得出當前設備和夾具是產生加工誤差的主要原因; 通過更換加工設備和專用夾具，使得產品合格率提高到 97% ，加工成本降到原來的61% ，減少了對高性能機床的依賴，極大提高了經濟效益，且在同類零件加工中具有一定的推廣價值。
  
     關鍵詞: 加工中心; 夾具設計; 加工工藝; 激光切割機
 
     0 引言
 
    激光切割機是一種新型的切割工具，采用不可見的光束代替傳統的機械刀，具有切割速度快，加工精度高，加工成本低等特點。切割頭支架( 以下簡稱為支架) 是組成激光切割機的關鍵部件，其加工與組裝精度直接影響到切割的精度。蘇州某激光有限公司有多年的激光切割機生產經驗，支架零件的月需求量在200 ～ 300 件之間，因受公司設備工藝的限制，一直采用外包的生產方式，但支架零件精度不穩定，加工費用昂貴。為提高經濟效益及支架質量穩定性，公司決定優化加工工藝的方法，完成該支架零件的加工。本文
通過對機床、夾具、刀具等方面進行分析與研究，提出了解決該問題的有效辦法。
 
     1 、支架加工技術分析
 
     支架零件如圖 1 所示，有兩處尺寸直接對設備精度造成影響，一個是平面度 0． 02mm，另一個是長度800－ 0． 02mm，這兩尺寸與工件的底面夾角均為 45°，受支架結構影響，加工精度難以保證［1］。
  
  

    
                            圖 1 支架零件圖
  
  

     
         圖 2 毛坯零件圖
 
     根據市場鋁材的規格，支架毛坯選用 70mm 厚度的 LY12 板材，經鋸割后的尺寸為 226 × 185 × 70mm，用銑床銑削六個平面尺寸到 216 × 180 × 68mm，制作 4個工藝孔［2］，如圖 2 所示，再采用四軸加工中心完成，原加工工序如表 1 所示。
 
           表 1 支架原加工工序( 四軸加工中心)
    
  
     由表 1 可見，前期制作的毛坯利用 4 個吊緊螺絲通過制作的工藝孔固定于如圖 3 所示的夾具上，在四軸加工中心 A 軸的轉動下，能夠完成支架各部位的加工［3-4］，主要加工工序分為三個階段。
 
     ( 1) A = 0°在第四軸 A = 0 時，利用端銑刀完成外輪廓的粗精加工，再用定位鉆、鉆頭和絲錐完成 5 個 M6 螺紋的加工。
     ( 2) A = 45°在第四軸 A = 45°時，原 45°斜平面理論上已經成為水 平 面，利用面銑刀完成平面銑削，保 證 平 面 度0. 02mm 達 到 圖 樣 要 求; 再 用 端 銑 刀 粗、精 加 工 輪廓［5］，確保尺寸精度在 800－0． 02 mm 公差范圍內。
     ( 3) A = 180°在第四軸 A = 180°時，主要是利用定位鉆和鉆頭完成剩下的 3 個 M6 螺紋的底孔加工，為手動攻絲完成最后的工序做好準備。
 
     2 、影響因素分析
 
     通過以上三個環節，利用四軸加工中心能夠完成支架零件的加工。通過對原加工工序及檢測數據分析，得出以下兩個方面是影響加工精度的主要因素:
 
    ( 1) 如圖 3所示，受支架零件本 身 結 構 的影響，夾具安裝于 A 軸轉臺，沿著 A 軸方向尺寸越長，轉臺的轉動精度及剛性對加工精度的影響會隨之放大;
  
     
          圖3 四軸裝夾加工狀態圖
 
    ( 2) A 軸轉臺依靠三爪卡盤夾緊夾具，三爪卡盤使用久了，隨著卡盤的磨損三爪會出現喇叭口狀，三爪也會慢慢偏離 A 軸轉臺中心，由夾具影響到支架，造成支架的形位公差增大，精度難以保證［6］。
  
    3 、支架夾具設計及加工
 
    綜上所述，在原方案中，支架零件在四軸加工中心上能夠完成加工，但加工誤差難以避免，且目前該公司只有兩臺三軸的加工中心，不具備四軸加工能力，如在現有的立式加工中心上完成該支架的加工，需從工藝著手提出新的加工方案，以解決該項加工難點。
 

             圖4 新工藝夾具零件圖
 
    經過研究，新工藝在 A =0°和180°時采用精密機用平口鉗裝夾，在A =45°時，需設計專用夾具來實現。此處有兩個問題需要 解 決，一是支架的半成品夾具設計 定 位 問題; 二 是 支架半成品的工件坐標系設定及對刀問 題［7］，參考支架在四軸上的加工狀態，設計了如圖4 所示的夾具［8］，該夾具左右兩側設置了壓板槽，可利用壓板固定于加工中心工作臺，夾具實物如圖5 所示，設置了兩個側面( 定位面Ⅰ、定位面Ⅱ) 作為定位面，與支架半成品已加工的臨近兩側面對應，4 個螺絲吊緊固定，夾具的左前點作為對刀位置，按照圖 3 中的尺寸，只要加工前對刀時輸入夾具和支架相應的數據( 在夾具設計之初考慮) 就能完成工件坐標系的設定，實現數控裝置的自動加工［9］。
 
    夾具毛坯材料采用 Q235，具體加工工序如表 2 所示，先將夾具毛坯放置于 90°的 V 型鐵中，再用精密機用平口鉗夾持毛坯的兩個側面，完成 45°面、A 面、定位面和螺紋孔的加工。需要加工的 45°斜面基本處于水平狀態，保證了該斜面的加工精度和表面質量，即使 V型鐵存在誤差，也影響不了 A 面與 45° 面的夾角 精度［10］。其次，利用已加工 A 面定位，平口鉗夾持兩側面，完成 B 面加工; 最后，平口鉗夾持 A、B 面，完成壓板槽的加工。
 
                     表 2 夾具的加工工序
    
  
  
     4 、對比分析
 
    兩種加工方案比較，主要有以下幾點區別:
 
    ( 1) 原方案中設備采用了四軸加工中心，新方案根據支架結構制作了新夾具，采用了常規的三軸加工中心，減少了對高性能機床的依賴。如圖 6 所示，支架在三軸加工中心加工狀態圖。
 

        圖 5 夾具實物圖  圖         6 支架加工圖
   
    2) 新方案利用了公司閑置機床，盤活了固定資產，原外包單個支架零件加工費用為 1380 元，現公司自己生產，成本僅為 850 元，此項每年為公司綜合節約資金約 150 萬，有效提高了經濟效益。
 
    ( 3) 因公司采用專人生產，尺寸精度得到大幅度提高。經三坐標檢測，支架零件合格率達到 97% ，排除了外包加工帶來的精度不穩定和交貨時間難以保證等不利因素，提高了激光切割機的加工精度，使產品品質得到了保證。
 
    5 、結束語
 
    加工工藝在生產中占有極其重要的地位，根據支零件的特殊結構，利用三軸加工中心和夾具的組合，減少了對高性能機床的依賴。制訂了適合現有加工設備的加工工藝，不但使支架的加工精度得以保證，同時降低了生產成本，協助該企業取得較大的經濟效益，完成了既定的生產目標，保障了激光切割機的品質，在同類零件加工中具有一定的推廣價值。