ISG輕度混合動力電機機體缸蓋的加工工藝

傅 強 錢愛萍

（浙江汽車職業(yè)技術學院，浙江 臺州 317000）

浙江省教育廳科研項目《汽車油電混合動力一體化機體數控加工技術》編號：Y200909400。

ISG輕度混合動力電機機體是在研油電混合動力汽車電子等平衡動力系統(tǒng)的內容。該汽車起動發(fā)電一體機（ISG）與發(fā)動機主軸并聯(lián)，不同于一般電機結構，為保證其正常工作，同時滿足汽車輕量化設計的需要，該機體主體材料為鋁合金，且設計結構較為復雜，尤其是其缸蓋，壁厚較薄，因而使用普通機械加工方法加工時，廢品率過高。

為解決這一問題，我們利用虛擬加工可描述刀具的真實運動軌跡，完成諸如碰撞、干涉檢驗等功能外，通過逼真地描述加工后工件的形狀誤差、位置誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性來判斷零件的加工質量，以此優(yōu)化數控加工工藝。這樣既不消耗實際的資源和能量，又可為實際加工提供理論依據和方法。通過比較，最終選用了較為適合這些要求Unigraphics NX6.0軟件加以實現，同時對電機機體缸蓋的加工進行具體的工藝分析，確定加工工藝參數。

1 零件的結構特點及整體工藝分析

電機機體缸蓋結構如圖（1）、（2）所示，為保證其正常工作，同時要滿足汽車輕量化設計的需要，其材料為鋁合金，結構較為復雜。這類零件工作型面的設計涉及到空氣動力學、流體力學等學科，同時要求輕量化設計，加工難度由此增大。對于普遍使用的薄壁結構零件而言，必須考慮工件可能發(fā)生的顯著加工變形及其與刀具變形之間復雜的耦合效應。仿真切削過程，揭示切削力引起的刀具、工件變形規(guī)律，優(yōu)化關鍵工藝參數和修改原始數控編程刀具軌跡，以消除加工彈性變形誤差。

目前國內外相關研究都具有較高的參考價值，例如：Law[1]根據懸臂梁理論分析計算刀具的加工撓曲變性規(guī)律，并建立了端銑型腔時的刀具變形誤差補償模型。Kim[2]則將銑削刀具的刀桿和刀齒部分近似處理成具有不同直徑的兩段圓柱懸臂梁，以預測刀具變形量的大小。Liu[3]指出通過選擇適當的刀具齒數、軸向切深、徑向切深以及進給速度的大小，能夠有效減小因刀具變形而引起的側銑加工表面誤差。鄭聯(lián)語[4]研究了控制薄壁零件數控加工變形的進給量局部調整、刀具路徑修正等工藝改進策略，并給出了優(yōu)化過程。武凱[5]討論了薄壁腹板的加工變形規(guī)律及其變形控制方案。

本次加工零件為電機的缸蓋，具體為左右兩件，裝配圖如圖（1）、圖（2）。

圖1

圖2

2 確定數控加工工藝方案

2.1 選擇合適的數控加工機床

綜合考慮本工件的尺寸、加工精度、技術要求以及加工成本，加工選用的是大連機床廠生產的VDL-1000A加工中心，該機床行程：1020×560×600mm，主電機功率 7.5/11kW，主軸采用精密級斜角滾珠軸承高速高精密，標準轉速可達8000r/min。主軸利用IRD動態(tài)平衡較正設備，直接校正主軸動態(tài)平衡，使主軸在高速運轉時，避免產生共振現象，確保最佳的加工精度。CNC控制系統(tǒng)采用標準配置FANUC 0i-MB，全數字式AC伺服系統(tǒng)，可通過標準RS-232接口及DNC功能與UG軟件連接，實現自動化加工。綜合考慮該機床無論是從零件輪廓形狀復雜程度、尺寸大小、加工精度等方面都能滿足工件的加工要求[6]。

2.2 零件的繪制和尺寸標注

根據設計資料，將零件三維立體圖形繪出，并按數控加工的特點重新標注尺寸，在設計原則上應以同一基準標注尺寸或直接標注坐標尺寸。這種標注方法既便于節(jié)點和基點的計算以及數控加工程序的編制，在保持設計基準、工藝基準、檢測基準與編程原點設置的一致性方面帶來很大方便。由于在零件的尺寸標注中考慮到裝配等其他原因，所以采用了局部分散的標注方法，這樣就會給工序安排與數控編程加工帶來許多不便。但是數控機床的加工精度和重復定位精度都很高，因此不會因產生較大的積累誤差而破壞使用特性，對零件的加工精度也不會產生太大的影響。

2.3 按照數控加工的特點進行結構工藝性安排

因零件精度要求較高，為了使加工廢品率降低，必須采用統(tǒng)一的基準定位。因為在數控加工中，若沒有統(tǒng)一基準定位，工件會因為重新安裝而導致加工后的兩個輪廓位置精度發(fā)生變化。因此要避免上述問題的產生，保證兩次裝夾加工后其相對位置的準確性，應采用統(tǒng)一的基準定位。電機機體右端蓋和左端蓋在加工當中均采用工件上的兩個孔作為工藝孔和精基準如圖（3）與圖（4）。在圖（4）當中藍色的定位元件和菱形銷均為工件的定位基準。

圖3 左端蓋

圖4 右端蓋

2.4 確定加工方法

加工方法的選擇原則是保證加工表面的加工精度和表面光潔度的要求。由于獲得同一級精度及表面光潔度的加工方法一般有許多，因而在實際選擇時，要結合零件的形狀、尺寸大小和熱處理要求等全面考慮。例如，對于IT7級精度的孔采用鏜孔、鉸孔、磨孔等加工方法均可達到精度要求，但箱體上的孔一般采用鏜孔或鉸孔，而不宜采用磨削。一般小尺寸的箱體孔選擇鉸孔，當孔徑較大時則應選擇鏜孔。根據此原則電機機體端蓋上大孔的加工方式是：粗銑-半精鏜孔-精鏜孔的加工方式，小孔的加工方式是：鉆孔-鉸孔的加工方式。而工件的內輪廓和外輪廓要求較高的地方則采用：粗加工、半精加工和精加工逐步達到的。總之，當工件既有平面又有孔需要加工時，加工原則是：先基準后其它、先粗后精、先主后次、先面后孔。因為銑削時切削力較大，工件易發(fā)生變形。先銑面后鏜孔，使其有一段時間恢復，減少由變形引起的對孔的精度的影響。

2.5 夾具的選擇和定位原則

夾具的選擇和定位原則應該力求設計、工藝與編程原點的基準統(tǒng)一；盡量減少裝夾次數，盡可能在一次定位裝夾后，加工出全部待加工表面；避免采用占機人工調整式加工方案，以充分發(fā)揮數控機床的效能。另外，由于該零件結構復雜，材料硬度較鋼材低，且壁厚較薄，因此，在選擇夾具時還應考慮給予必要的支撐。數控機床的夾具還應該具備如下要求：一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要確定零件原點和機床原點的尺寸關系。當然除此而外還有其他的一些要求在此不再累述。

2.6 刀具的選擇與切削用量的確定

與傳統(tǒng)的加工方法相比，數控加工對刀具的要求更高，不僅要求精度高、剛度好、耐用度高，而且要求尺寸穩(wěn)定、安裝調整方便[7]。切削用量的確定：主軸轉速、銑削速度、進給量。切削用量設定時主要考慮以下幾個方面：a.機床的加工能力及機械性能；b.選用的是何種刀具；c.被加工的工件是何種材料；d.刀具材料和直徑的大小，所以要求采用新型優(yōu)質材料制造數控加工刀具，并優(yōu)選刀具參數。由于端蓋的材料是鋁合金，根據前期加工經驗，最終選用山特維克平底銑刀、三面刃銑刀及精鏜孔刀具。

綜上所述，最終制定出加工工藝方案，詳見附錄。

圖5 模擬加工示意圖

3 模擬試加工

根據已制定的工藝過程，選用相應的工藝參數，利用UG的虛擬加工技術進行模擬加工，并對加工路線加以修正，采用部分補償的方法，改善工件的加工質量，使加工件的合格率加以提高，減少加工變形而導致的廢品產生。其中尤其是對加工余量和走刀路線通過模擬加工可以檢驗，其優(yōu)化過程可參考相關論著[4]、[5]模擬加工示意圖如圖（5）。

綜上所述，經過以上工藝設計基本能夠保證加工的可靠性，經實際試加工也已經證實了其可行性，并已經通過檢驗合格。在執(zhí)行加工過程中，仍有些問題還未得到較好的解決，希望在后續(xù)工作中加以完善，例如：切削表層殘余應力及扭曲變形控制；加工系統(tǒng)振動控制等方面都還有待解決。

[1]鄭聯(lián)語，汪叔淳.薄壁零件數控加工工藝質量改進方法[J].航空學報，2001，22(5).

[2]武凱，何寧等.薄壁腹板加工變形規(guī)律及其變形控制方案的研究[M]，2004，15(s).

[3]張俊生.金屬切削機床與數控機床[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001，1.

[4]樂兌謙.金屬切削刀具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001，6.

[5]王慶林，李莉敏，韋紀祥，王榮生.Unigraphics CAD/CAM應用[M]北京：清華大學出版社2003，6.