激光切割机切割头支架的加工工艺研究*

陈祥林，郭秀华

(1．苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2．苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215009)



激光切割机切割头支架的加工工艺研究*

陈祥林1，郭秀华2

(1．苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104；2．苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215009)

针对激光切割机切割头支架加工精度不稳定问题，分析得出当前设备和夹具是产生加工误差的主要原因；通过更换加工设备和专用夹具，使得产品合格率提高到97%，加工成本降到原来的61%，减少了对高性能机床的依赖，极大提高了经济效益, 且在同类零件加工中具有一定的推广价值。

加工中心；夹具设计；加工工艺；激光切割机

0 引言

激光切割机是一种新型的切割工具，采用不可见的光束代替传统的机械刀，具有切割速度快，加工精度高，加工成本低等特点。切割头支架(以下简称为支架)是组成激光切割机的关键部件，其加工与组装精度直接影响到切割的精度。苏州某激光有限公司有多年的激光切割机生产经验，支架零件的月需求量在200～300件之间，因受公司设备工艺的限制，一直采用外包的生产方式，但支架零件精度不稳定，加工费用昂贵。为提高经济效益及支架质量稳定性，公司决定优化加工工艺的方法，完成该支架零件的加工。本文通过对机床、夹具、刀具等方面进行分析与研究，提出了解决该问题的有效办法。

1 支架加工技术分析

图1 支架零件图

图2 毛坯零件图

根据市场铝材的规格，支架毛坯选用70mm厚度的LY12板材，经锯割后的尺寸为226×185×70mm, 用铣床铣削六个平面尺寸到216×180×68mm，制作4个工艺孔[2]，如图2所示，再采用四轴加工中心完成，原加工工序如表1所示。

表1 支架原加工工序(四轴加工中心)

由表1可见，前期制作的毛坯利用4个吊紧螺丝通过制作的工艺孔固定于如图3所示的夹具上，在四轴加工中心A轴的转动下，能够完成支架各部位的加工[3-4]，主要加工工序分为三个阶段。

(1)A=0°

在第四轴A=0时，利用端铣刀完成外轮廓的粗精加工，再用定位钻、钻头和丝锥完成5个M6螺纹的加工。

(2)A=45°

(3)A=180°

在第四轴A=180°时，主要是利用定位钻和钻头完成剩下的3个M6螺纹的底孔加工，为手动攻丝完成最后的工序做好准备。

2 影响因素分析

图3 四轴装夹加工状态图

通过以上三个环节，利用四轴加工中心能够完成支架零件的加工。通过对原加工工序及检测数据分析，得出以下两个方面是影响加工精度的主要因素：

(1)如图3所示，受支架零件本身结构的影响，夹具安装于A轴转台，沿着A轴方向尺寸越长，转台的转动精度及刚性对加工精度的影响会随之放大；

(2)A轴转台依靠三爪卡盘夹紧夹具，三爪卡盘使用久了，随着卡盘的磨损三爪会出现喇叭口状，三爪也会慢慢偏离A轴转台中心，由夹具影响到支架，造成支架的形位公差增大，精度难以保证[6]。

3 支架夹具设计及加工

综上所述，在原方案中，支架零件在四轴加工中心上能够完成加工，但加工误差难以避免，且目前该公司只有两台三轴的加工中心，不具备四轴加工能力，如在现有的立式加工中心上完成该支架的加工，需从工艺着手提出新的加工方案，以解决该项加工难点。

图4 新工艺夹具零件图

经过研究，新工艺在A=0°和180°时采用精密机用平口钳装夹，在A=45°时，需设计专用夹具来实现。此处有两个问题需要解决，一是支架的半成品夹具设计定位问题；二是支架半成品的工件坐标系设定及对刀问题[7]，参考支架在四轴上的加工状态，设计了如图4所示的夹具[8]，该夹具左右两侧设置了压板槽，可利用压板固定于加工中心工作台，夹具实物如图5所示，设置了两个侧面(定位面Ⅰ、定位面Ⅱ)作为定位面，与支架半成品已加工的临近两侧面对应，4个螺丝吊紧固定，夹具的左前点作为对刀位置，按照图3中的尺寸，只要加工前对刀时输入夹具和支架相应的数据(在夹具设计之初考虑)就能完成工件坐标系的设定，实现数控装置的自动加工[9]。

夹具毛坯材料采用Q235，具体加工工序如表2所示,先将夹具毛坯放置于90°的V型铁中，再用精密机用平口钳夹持毛坯的两个侧面，完成45°面、A面、定位面和螺纹孔的加工。需要加工的45°斜面基本处于水平状态，保证了该斜面的加工精度和表面质量，即使V型铁存在误差，也影响不了A面与45°面的夹角精度[10]。其次，利用已加工A面定位，平口钳夹持两侧面，完成B面加工；最后，平口钳夹持A、B面，完成压板槽的加工。

表2 夹具的加工工序

4 对比分析

两种加工方案比较，主要有以下几点区别：

(1)原方案中设备采用了四轴加工中心，新方案根据支架结构制作了新夹具，采用了常规的三轴加工中心，减少了对高性能机床的依赖。如图6所示，支架在三轴加工中心加工状态图。

图5 夹具实物图 图6 支架加工图

(2)新方案利用了公司闲置机床，盘活了固定资产，原外包单个支架零件加工费用为1380元，现公司自己生产，成本仅为850元，此项每年为公司综合节约资金约150万，有效提高了经济效益。

(3)因公司采用专人生产，尺寸精度得到大幅度提高。经三坐标检测，支架零件合格率达到97%，排除了外包加工带来的精度不稳定和交货时间难以保证等不利因素，提高了激光切割机的加工精度，使产品品质得到了保证。

5 结束语

加工工艺在生产中占有极其重要的地位，根据支架零件的特殊结构，利用三轴加工中心和夹具的组合，减少了对高性能机床的依赖。制订了适合现有加工设备的加工工艺，不但使支架的加工精度得以保证，同时降低了生产成本，协助该企业取得较大的经济效益，完成了既定的生产目标，保障了激光切割机的品质，在同类零件加工中具有一定的推广价值。

[1] 宋渊．薄圆盘形零件车削加工工艺优化和夹具设计[J]．组合机床与自动化加工技术，2012(5):82-85．

[2] 吴敬,张树伟.连杆零件加工工艺分析及钻孔夹具设计.[J]机床与液压,2013(6):131-132.

[3] 赵如福.金属机械加工工艺人员手册[M].上海:上海科学技术出版社,2000．

[4] 王光斗，王春福.机床夹具设计手册[M].3版.上海：上海科学技术出版社，2001.

[5] 郭秀华等.提高法兰同轴度和圆跳动的应用研究[J].机械传动，2014(11)：181-183.

[6] 陈祥林，郭秀华.减速机端盖的加工工艺研究[J] . 制造技术与机床，2014(7)：131-134.

[7] 姚胜南，刘小娟.偏心零件的加工工艺及夹具设计[J] . 组合机床与自动化加工技术，2014(11):140-142.

[8] 王先逵. 机械加工工艺手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2007.

[9] 车璐,王宗彦,秦慧斌,等.转杯的加工工艺研究 [J].组合机床与自动化加工技术，2013(5):120-122.

[10] 史全富.金属切削手册[M].上海:上海科学技术出版，2003．

(编辑 李秀敏)

Study on Processing Technology of Cutting Head Bracket for Laser Cutting Machine

CHEN Xiang-lin1，GUO Xiu-hua2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou Jiangsu 215104, China;2.Suzhou Institute of Trade & Commerce, Suzhou Jiangsu 215009, China)

Aiming at the problem of unstable machining accuracy of the cutting head bracket of laser cutting machine, Analysis shows that the current equipment and fixtures are the main reasons for the machining errors. By changing the processing equipment and special fixture, making the product pass rate increased to 97%, processing cost down to 61% of the original, reduces the dependence on high performance machine, greatly improve the economic benefit and has a certain popularization value in the similar parts.

machining center ；fixture design；processing technique; laser cutting machine

1001-2265(2016)10-0151-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.041

2015-12-17；

2016-01-24

江苏省高等职业院校高级访问工程师计划(FG016)

陈祥林(1977—)，男，江苏扬州人，苏州市职业大学高级实验师，硕士，研究方向为数控技术、CAD/CAM/CAE、自动控制，(E-mail)cxl@jssvc.edu.cn。

TH162；TG506

A