改变编程思路，改进薄臂套筒件工艺

这是夹具侠（jiajoin）发布的第 1133 篇技术文章

薄壁套筒零件的加工都需要很合理的设计思路，才能达到满意的产品效果。而通过下面UG软件与四轴联动加工中心的结合方法，类似零件我们都能有新的路径与技巧。

产品结构和加工难点

图1所示产品为全晶体力臂调节器，组成产品的零部件及元器件中，薄壁套筒（见图1b）是一个重要件，它装在产品内部，不外露。其外圆上的三处螺旋导程角是加工中的难点。

图1 全晶体化力臂调节器

该套筒的外形尺寸结构特点是 ：

①零件壁薄，最薄处尺寸仅为0． 925mm。

②外圆上沿120°方向均匀分布3处螺旋槽，槽宽为（10±0．008）mm，螺旋槽的导程角是26°± 5′，根部R0．5 mm，表面粗糙度值Ra＝0．4μm。

③薄壁外圆一端要插齿，模数m＝0．5，齿数z＝108，压力角α＝20°，齿顶高系数ha＊＝1，径向间隙系数c＊＝0．2，精度等级6h。

④零件材料为30CrMnSiA，热处理硬度41～45HRC，表面处理镀铬5～8μm。

图2 薄壁套筒外形尺寸

薄壁套筒的加工难点为：①薄壁件刚性较差，加工过程中产生的振动导致表面质量差，产生变形，不好保证精度。②薄壁件在外圆上插齿，插齿过程中产生的范成运动、切削运动和进给运动容易导致零件变形，齿轮精度不好保证，尤其是齿形误差易受影响。③材料为30CrMnSiA，属于中碳钢，有较高的综合机械性能，且热处理硬度较高，加工中刀具磨损严重，生产效率受到影响。

传统加工方法及夹具分析

传统的加工方法是做专用夹具在普通铣床上加工，图3所示为专用铣床夹具，其加工原理是：把零件定位在夹具上并夹紧，手工摇动夹具手柄，带动夹具的丝杠传动，零件的运动有两种，在转动的同时向前移动，套筒上的每一点都在进行螺旋转动。在每个完整的螺旋槽加工过程中，刀具只是固定地转动，不进行坐标移动。

图3 传统加工专用铣床夹具

这样加工的缺点为：

①质量不稳定。螺旋槽的宽度尺寸取决于刀具的直径，刀具直径不合格或在加工过程中发生磨损会影响槽宽精度尺寸，加工中产生的颤动容易导致表面质量差。采用传统的加工方法，尺寸精度最好只能达到±0．02m m，表面粗糙度值R a＝1．6～3．2μm，要达到最终设计要求，只能采用手工研磨抛光的方法。

②刀具磨损严重。由于零件材料为30CrMnSiA淬火中碳结构钢，加工中刀具磨损严重，每加工8～12件零件就需更换刀具。由于刀具的直径直接决定了槽宽的尺寸，通用刀具很难达到加工要求，这就需要准备大量的专用刀具，不但刀具制造成本高，而且给管理和库存带来很大的麻烦。

③废品率和超差品率高。传统加工的废品率每批次约5％～8％，超差品率12％。废品率造成了较大的质量损失，超差品率造成了较高的返工成本，一旦尺寸超差，只能通过钳工抛光的方式进行返工，加工效率低，返工成本高，每返工1件需要20min，增加了制造成本（小时费用率）。

重选毛坯类型和设备

薄壁零件具有质量轻 、节约材料和结构紧凑的优良特 点 。为了提高材料利用率，毛坯采用管状材料，利用率约55．6％。设备选择四轴联动加工中心，主要是考虑到该机床加工范围较大，内部功能较强，摒弃传统铣床夹具的加工方式，通过一次装夹自动走刀实现三处螺旋槽的加工。

图4

此外，该设备还能用数学模型描述复杂的曲线零件及三维空间的曲面类零件，如本例中的三处空间螺旋槽的角向尺寸26°±5′。

建立加工模型

齿槽宽三维模型的建立是比较关键的，也是UG编程中比较生僻的环节，对初学编程的人员来说有一定的难度。特别是缠绕曲线和扫掠成形，更是三维模型建立的难点和重点。

4．1 螺旋槽宽边界线段的形成和缠绕曲线。坐标原点移至端面截面的最顶点，在XOY平面内沿X 向画一条26°线并派生直线，生成宽度为10mm的两条槽宽边界线段。U G软件插入→来自曲线集的曲线→缠绕／展开曲线。选择曲线：两条槽宽边界线段（见图5上面两条曲线）；选择面：圆柱体外圆柱面；指定平面：X O Y 平面（两线段所在平面），确定并生成两条沿圆柱体的缠绕曲线（见图5下面两条曲线）。

图5　槽宽边界线段的形成和缠绕曲线

4．2 螺旋槽轮廓界面的建立及模型的形成。首先，要画出扫掠界面。在端面顶点沿垂直于边界线段构成的平面内画对称矩形界面，矩形的宽度为槽宽1 0 m m ，宽度方向只需保证高出圆柱顶面和低于内孔顶面即可（便于扫掠后进行布尔运算）。其次，UG模型界面中插入／扫掠／扫掠→截面选择曲线：端面界面框；引导线选择曲线：选择一条缠绕线；定位方法：选择另一条曲线／点另一条缠绕线，确定并形成螺旋槽实体轮廓。

图6 螺旋槽轮廓界面的建立及模型的形成

4．3 阵列螺旋槽轮廓模型并布尔运算形成螺旋槽。首先在端面截面均布阵列三处螺旋槽轮廓模型。用实例几何体指令，类型选择旋转，选择对象：点已生成的缠绕体；指定矢量：－XC（将坐标原点移动到端面中心，沿轴线方向的坐标）；指定点：端面中心点；角度120°、副本数2。布尔运算中的求差方法形成三处螺旋槽，再运用建模、裁剪及布尔运算补全其他部位（见图7）。

图7 布尔运算形成螺旋槽并补全其他部位

程序的优化

在保证质量的前提条件下，追求高效率和避免动作浪费是企业生产改善的追求方向，本程序只需建立4个操作即可完成整个螺旋槽的加工。

5．1 中心钻引导操作。

这个操作的注意点是：防止中心钻断裂。中心钻一般由高速钢材料制成，钻孔部位直径比较小，实际加工中易折断（数控加工过程中折断是不易被发现的），加工中要加润滑液，利于切屑的排出，保证通畅不被卡住或折断。进给速度150m m／m i n，主轴转速2500r／min，切削速度200mm／min，逼近速度2000mm／min，进刀速度1000mm／min，移刀速度3000mm／min。

5．2 钻出引导空间区域操作。

本操作很简单，其目的就是在铣刀下刀点钻出一个f6mm孔的空间区域，保证铣削力度均匀。进给速度20mm／min，主轴转速2500r／min，切削速度 250mm／min，逼近速度2000mm／min，进刀速度1000mm／min、移刀速度4000mm／min。

5．3 粗加工操作（用型腔铣“CAVITY＿MILL”）。

加工出整个螺旋槽的外形形状，留少许余量最后成形。主轴转速5500r／min，切削速度1800mm／min，逼近速度3000mm／min，进刀速度800mm／min，第一刀切削速度800mm／min，移刀速度5000mm／min。

5．4 精加工操作（用平面铣“PLANAR＿MILL”）。

沿封闭的螺旋槽四周精加工一圈，完成整个螺旋槽的最终形状尺寸要求。主轴转速6000r／min，切削速度2500mm／min，逼近速度3000mm／min，进刀速度 1200mm／min，第一刀切削速度1200mm／min，移刀速度5000mm／min。

程序的编制因个人的编程风格和习惯不同，没有一个标准模式。以上操作中的切削参数不是唯一的，不过这种加工思路已经被验证可靠地解决了薄壁类套筒零件螺旋导程槽的加工和质量问题，可以作为参考。