1 序言
炮長鏡是坦克裝甲車的重要部件，負(fù)責(zé)對目標(biāo)進(jìn)行搜索、瞄準(zhǔn)和跟蹤，其中曲線套筒為炮長鏡變焦系統(tǒng)中的重要零件，其精度及尺寸穩(wěn)定性直接決定炮長鏡工作的穩(wěn)定性。
目前，曲線套筒類零件的加工多采用普通四軸聯(lián)動(dòng)銑削或通過電脈沖結(jié)合研磨完成，零件加工質(zhì)量波動(dòng)較大，加工效率較低且成本較高。隨著數(shù)控設(shè)備的不斷升級(jí)及加工輔具和熱處理技術(shù)的不斷提升，可立足于公司加工能力，制定合理可行的技術(shù)方案，滿足零件精度要求，彌補(bǔ)該類零件加工的短板，提高零件加工合格率及穩(wěn)定性。
2 加工工藝性分析
圖1所示為典型薄壁筒類零件，材質(zhì)為2A12-T4[1]。零件壁厚為2mm，長度為124mm，內(nèi)孔與外圓均為IT7級(jí)公差，且同軸度為φ0.02mm。同時(shí)零件圓周分布兩條函數(shù)曲線通槽，屬于非對稱分布。兩條曲線軸向行程分別為16.5mm、46mm，占零件軸向總長的50.4%，且曲線槽寬公差僅為0.03mm，零件精度要求高，結(jié)構(gòu)剛度較弱，加工極易產(chǎn)生變形。
a）結(jié)構(gòu)尺寸
b）三維立體圖
圖1 典型薄壁筒類零件
3 工藝設(shè)計(jì)
3.1 工序劃分
零件加工過程材料去除率約為85%，加工過程中產(chǎn)生較大應(yīng)力，在完成兩條函數(shù)曲線加工后，零件會(huì)產(chǎn)生較大變形，同時(shí)由于零件精度較高，需保證其在使用過程中尺寸的穩(wěn)定性，因此將零件加工劃分為粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段[2]，中間分別增加時(shí)效處理、穩(wěn)定化處理，從而保證零件精加工及裝配使用過程中尺寸的穩(wěn)定性。各階段加工內(nèi)容見表1。
表1 各階段加工內(nèi)容
3.2 確定加工余量
根據(jù)同類零件加工經(jīng)驗(yàn)，零件粗加工后通常留余量0.5～1mm。零件加工精度主要取決于半精加工及精加工工序，因零件在精加工前剛度較弱，加工變形較大，故應(yīng)在滿足零件變形及強(qiáng)度要求的前提下，盡量減小加工余量。通過使用abaqus 2020軟件對零件車削過程進(jìn)行模擬仿真（見圖2），對切削力、殘余應(yīng)力及徑向變化進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)主要變形部位在兩槽中間部位，在其中一條曲線長度20～30mm內(nèi)變化最大（見圖2a）。
a）切削過程仿真
b）切削力變化
通過對零件加工過程中切削力的分析可知，在加工過程中，軸向力Fz未發(fā)生明顯變化，徑向力Fx隨著零件的加工不斷發(fā)生變化，且在長槽中間位置變化最大，對應(yīng)的零件徑向變形量為0.12mm，由此確定零件的精加工余量為0.2mm。
c）殘余應(yīng)力變化
d）徑向變形量變化
圖2 零件切削仿真分析
4 工裝設(shè)計(jì)
該零件由于剛性弱，裝夾極易產(chǎn)生變形，在精加工階段，減小零件裝夾變形成為夾具設(shè)計(jì)的要素，由于零件外圓自身存在兩條函數(shù)曲線槽，采用端面壓緊極易產(chǎn)生變形，因此在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，提前在零件端面預(yù)留工藝臺(tái)，方便零件底面軸向壓緊，同時(shí)為提高裝夾可靠性，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用薄壁零件的結(jié)構(gòu)特征，用心軸定位鏡筒內(nèi)孔，底部用螺紋套壓緊預(yù)留的工藝臺(tái)階，頂部通過設(shè)計(jì)內(nèi)脹支撐，作為輔助壓緊提高零件加工穩(wěn)定性[3]，避免曲線槽銑削時(shí)產(chǎn)生位移和振動(dòng)。夾具及裝夾如圖3所示。
a）剖視圖
b）實(shí)物
圖3 夾具及裝夾
5 數(shù)控程序設(shè)計(jì)
初始試驗(yàn)時(shí)，采用計(jì)算機(jī)直接生成點(diǎn)坐標(biāo)的方式處理加工程序，由于零件給出的方程中數(shù)值已經(jīng)精確到小數(shù)點(diǎn)后9位，有些需要計(jì)算數(shù)值的N次方，然后進(jìn)行乘積或者加減計(jì)算，因此計(jì)算結(jié)果誤差較大，且在計(jì)算機(jī)上處理程序時(shí)，取點(diǎn)的密集程度也影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，如果點(diǎn)過于密集，處理出的程序較長，影響機(jī)床對程序的識(shí)讀，同時(shí)數(shù)控程序數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于機(jī)床內(nèi)存，不方便程序調(diào)用。
在程序編制過程中，根據(jù)零件曲線方程，采用宏程序手工編程，大大縮短程序序列，方便程序識(shí)讀修改，并對程序計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，提高曲線點(diǎn)的精度。原先在處理點(diǎn)位精度時(shí)，將乘方出來的數(shù)據(jù)與10的-N次方進(jìn)行加減乘除運(yùn)算，由于機(jī)床宏程序?qū)π?shù)點(diǎn)后幾位的值有限制，容易造成數(shù)據(jù)精度的損失。后對計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，采用綜合計(jì)算法，即將數(shù)據(jù)的N次方分解成2次方乘以2次方再乘以2次方等形式，計(jì)算后先用2次方的結(jié)果乘以10的-2次方，這樣將數(shù)據(jù)的值控制在誤差允許的范圍內(nèi)，提高了計(jì)算精度。
由于在第四軸參與運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)給速度不易控制，容易造成某一點(diǎn)加工速度過快。在編程時(shí)引進(jìn)反比時(shí)間進(jìn)給方法，該指令的使用將加工過程的切削速度均勻化，實(shí)現(xiàn)了零件的光滑加工，提高了零件的加工質(zhì)量。零件加工宏程序代碼如圖4所示。
圖4 零件加工宏程序代碼
6 結(jié)束語
本文針對高精度雙曲線鏡筒零件的結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)，通過加工階段劃分、時(shí)效和穩(wěn)定化處理、工裝設(shè)計(jì)和宏程序降次處理等措施，很好地控制了零件加工及裝配使用過程中的變形，從根本上解決了該零件的加工質(zhì)量問題，大大降低了生產(chǎn)成本，節(jié)省了人力、物力，提高了企業(yè)的競爭力，同時(shí)也為類似結(jié)構(gòu)零件的加工提供了一種工藝思路。
