袁保寧

江蘇自動化研究所 江蘇連云港 222000

1 序言

某型號面板設(shè)計有一個用于安裝20寸顯示器的方孔（見圖1），其尺寸為408mm×306mm，零件材料為鋁合金，毛坯下料厚度為20mm。為保證加工質(zhì)量和效率，原有的數(shù)控銑削加工工藝會對該區(qū)域的材料形成破壞性加工，因此加工方孔產(chǎn)生的余料無法得到有效利用，通常作為廢料與切屑一起處理，造成一定程度的材料浪費。隨著該類零件投產(chǎn)量的不斷增加，加工余料的有效利用問題就顯得愈發(fā)突出。

圖1 面板方孔

2 嵌套加工法實施過程

為解決顯示器面板加工余料的利用問題，在確保顯示器面板質(zhì)量和原有加工效率的前提下，亟需重新設(shè)計加工工藝。首先保證其加工余料的最大完整性，在此基礎(chǔ)上選擇合適零件作為余料加工的子零件，采用嵌套加工法同步完成多零件實時加工，以實現(xiàn)顯示器面板余料的最大化高效利用[1-3]。

2.1 優(yōu)化加工方案

經(jīng)分析，對原有加工程序的刀具及其相關(guān)加工工藝路線進行了改進、優(yōu)化，甚至對部分刀具的加工進行了重新設(shè)定。為合理規(guī)劃進給路線，人工繪制相關(guān)輔助線作為刀具加工路徑，避免了自動編程生成切削加工路徑的不可控性和不合理性。刀具按照規(guī)劃好的最優(yōu)加工路線進行加工，既保證余料的最大完整性，又進一步提高了加工效率。

零件改進加工工藝、實施優(yōu)化加工方案后的效果模擬如圖2所示，經(jīng)過理論模擬，確定余料尺寸為386mm×284mm，可以滿足毛坯下料厚度在20mm以內(nèi)的零件加工。

圖2 工藝改進實施效果模擬

2.2 確定嵌套加工子零件

在確定余料可利用尺寸的基礎(chǔ)上，對嵌套加工子零件的類型進行了大量調(diào)研。綜合考量母體零件的材料牌號、熱處理工藝要求、年加工數(shù)量、尺寸匹配性和加工工藝的可操作性等方面，最終確定將該產(chǎn)品配套蓋板類零件（示例見圖3）作為顯示器面板嵌套加工對象。理由如下。

圖3 某型號蓋板零件

1）兩者材料牌號相同，均為鋁合金2A12H112。

2）前期熱處理工藝要求相同，均為去應(yīng)力（加熱溫度380℃，保溫2h，隨爐冷卻）。

3）蓋板種類較多、結(jié)構(gòu)相似，年加工整體數(shù)量能夠滿足顯示器面板對子零件加工數(shù)量的要求。

4）蓋板尺寸匹配性優(yōu)異，其毛坯下料厚度與顯示器面板一致，長度尺寸一般為233.3mm，寬度尺寸在155.2～135mm。經(jīng)過測算，在保證顯示器面板加工工藝不變的基礎(chǔ)上，余料尺寸在去掉刀具加工占用量后，理論上可以同時滿足兩件蓋板的加工用料，在對余料進行充分利用的同時使嵌套加工的效果最大化。

5）整體加工工藝的可操作性強，兩類零件的核心加工工藝不受嵌套加工影響，方便形成統(tǒng)一架構(gòu)的嵌套加工方案。

2.3 子零件在余料區(qū)域的分布位置

根據(jù)余料尺寸、各類蓋板外形尺寸，以及母、子零件同步加工的工藝需求，對蓋板在顯示器面板中的位置分配進行了合理安排，確保嵌套加工的順利實施。嵌套零件位置分布如圖4所示，黑色為顯示器面板反面視圖；紅色實線內(nèi)區(qū)域為方孔加工余料；綠色實線區(qū)域放置插件蓋板，其中黑色十字線為子零件放置中心位置點；紅色虛線為子零件與母體材料的分離界線。

圖4 嵌套零件位置分布

2.4 創(chuàng)建嵌套加工方案

在裝夾方式上將組合零件視為一體化；實際加工中既考慮零件共性，又突出其各自獨立性，方便嵌套對象蓋板子零件的調(diào)整替換。總的工藝方案分為3個工步：①選用3套精密組合虎鉗（鉗口寬150mm、夾持范圍400mm），夾持完成組合體母、子零件正面的共享加工。②組合零件翻面，通過虎鉗夾持和螺栓固定的復(fù)合式固定方案完成子零件的獨立加工以及與母零件材料的分離工作。③增加固定壓板完成顯示器面板加工。

利用該工藝方案，我們調(diào)用投產(chǎn)的相關(guān)零件（見表1）進行了測試加工，具體說明如下。

表1 嵌套加工零件明細(xì)

（1）工步1：組合零件正面加工 根據(jù)子零件在余料區(qū)域的分布位置及兩類零件原有加工工藝，決定先進行組合零件的正面加工。圖5所示為零件整體放置及加工效果，其中綠、青、灰分別代表3種零件，紅色區(qū)域為母、子零件間隔區(qū)。

圖5 整體放置及加工效果

首先完成母零件加工。加工上表面時，將φ80mm的面銑刀由原來的縱向切削調(diào)整為橫向切削，在實現(xiàn)母、子零件共面加工的同時，確保插件蓋板上表面的優(yōu)異質(zhì)量。

其次完成子零件加工。程序編制方面，取消原有的上表面及外形加工，針對實際情況重新設(shè)定下刀點及相應(yīng)切削參數(shù)。在不改變程序原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對于同一種子零件，利用編程軟件中的路徑轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)兩個子零件的同一刀具共享加工，減少換刀次數(shù)，有效提高加工效率。

裝夾方面，為配合蓋板的放置及保證后續(xù)有效固定加工，在Y向設(shè)計加工了兩個間距80mm、直徑14mm的工藝通孔（見圖4）。翻面加工時配合虎鉗夾持，利用該工藝孔，使用六角螺栓直接壓緊固定，有效限制零件組合體的相關(guān)自由度。既滿足子零件的放置要求，確保其安全有效分離加工，又不影響母零件原有的整體加工效果。

（2）工步2：子零件反面加工 組合體母、子零件反面裝夾，加工效果如圖6所示。圖6中綠、青、灰分別代表3種零件，紅色區(qū)域為母、子零件與加工余料分離區(qū)。

圖6 反面裝夾、加工效果

裝夾方面，利用3套精密組合虎鉗及兩個M12螺栓實現(xiàn)對整體零件的有效夾緊固定，特別是提高了子零件的加工強度，為其最后的分離加工提供可靠保障。

加工工藝方面，首先完成母、子零件的厚度加工。根據(jù)零件的不同厚度，規(guī)劃相應(yīng)進給路徑，使用φ80mm的面銑刀進行共享刀具加工，有效提高零件表面加工效率。與此同時，實現(xiàn)厚度加工程序的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，根據(jù)子零件的不同厚度，只需對1、2號蓋板的加工厚度值作對應(yīng)調(diào)整，就可以利用相同架構(gòu)的刀具路徑快速方便地生成加工程序。

其次完成兩件子零件的內(nèi)腔各臺階面、底面及螺孔的加工。生成加工程序后，原有加工思路不變，針對實際情況對下刀點及相應(yīng)切削參數(shù)進行重新設(shè)定。由于整體零件夾緊固定良好，因此切削平穩(wěn)順暢，經(jīng)后續(xù)檢測，加工質(zhì)量優(yōu)異。

最后完成子零件與母體材料的分離加工。在確保質(zhì)量的前提下，通過子零件外形加工，使其與母體材料安全、順利分離，是此次加工的最大難點，也是決定嵌套加工法能否成功的關(guān)鍵步驟。面對這一全新的加工工藝，結(jié)合原有的相關(guān)加工經(jīng)驗，從刀具選用、切削方式、切削參數(shù)、加工路徑安排以及粗、精加工余量分配等諸多方面考慮，經(jīng)過不斷摸索調(diào)試，最終形成了一套行之有效的分離加工工藝，具體如下。

①選用φ10mm波型刃銑刀加工零件外形的4條邊，按照一定先后順序、分不同深度以斜插方式每刀0.5mm的切削用量完成粗加工，具體切削參數(shù)為：S=5000r/min、F=1200mm/min、側(cè)面余量0.15mm、底面余量0.5mm。加工時刀具切削平穩(wěn)順暢，零件沒有出現(xiàn)顫動情況。②使用φ5mm大螺旋角硬質(zhì)合金精銑刀，按照與粗加工相同的加工路線分半精加工、精加工完成插件蓋板外形銑削，同時順利實現(xiàn)了子零件與母體材料的分離加工。半精加工切削參數(shù)為：S=5000r/min、F=1200mm/min、側(cè)面余量0.05mm、底面余量0.3mm；精加工切削參數(shù)為：S=5000r/min、F=1200mm/min、底面余量

0.08mm。

子零件蓋板嵌套加工完成后的實物如圖7所示。此時子零件與母體材料連接區(qū)域的尺寸為寬度5mm、連接厚度0.08mm，而一張A4紙的標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.1mm，因此使用裁紙刀就可以很方便快捷地完成子零件的實際分離工作，如圖8所示。

圖7 子零件蓋板嵌套加工完成實物

圖8 子零件分離

以此為基礎(chǔ)，在后續(xù)生產(chǎn)中，將各類蓋板的加工程序制作成獨立的模塊進行固化管理，加工時根據(jù)工藝卡的要求進行對應(yīng)子零件的調(diào)用，即可快速方便地完成各類組合零件的嵌套加工。

（3）工步3：母零件反面加工 子零件取出后，利用余料的“吅”型結(jié)構(gòu)，沿長邊追加兩個輔助固定壓板，根據(jù)實際情況按照優(yōu)化后的加工程序高效順利地完成顯示器面板型腔的加工，最后進行通孔銑削，實現(xiàn)與余料的有效分離。經(jīng)檢測，零件質(zhì)量優(yōu)異，完全達到圖樣要求。嵌套加工同步完成的3個零件如圖9所示。

圖9 嵌套加工同步完成的3個零件

在后續(xù)生產(chǎn)中，我們對加工工藝進行了再次優(yōu)化，將工步2、工步3合并，取消子零件取出及追加輔助固定壓板的步驟，一次裝夾可完成組合零件反面的全部加工內(nèi)容，生產(chǎn)效率進一步提高。

3 推廣應(yīng)用

在前期顯示器面板的嵌套加工獲得成功的基礎(chǔ)上，針對另一生產(chǎn)數(shù)量較大的觸摸屏面板類零件進行了嵌套加工試驗。經(jīng)過調(diào)研，確定選用投產(chǎn)數(shù)量與觸摸屏面板具有對應(yīng)關(guān)系的配套后蓋作為嵌套加工子零件。

針對該組合零件的結(jié)構(gòu)特點、余料尺寸以及零件加工工藝需求，最終確定兩者按中心對稱分布，虎鉗夾持，分正、反面兩個工步同步完成。

編程方面，由于整體剛性良好，將兩個零件視為一體加工，母、子零件圖樣分正、反面分別對應(yīng)合并，并重新統(tǒng)一編制相關(guān)加工程序。由于運用了零件一體化加工，部分刀具實現(xiàn)共享切削，所以組合零件整體綜合加工效率明顯優(yōu)于各自獨立加工。正反面嵌套加工模擬如圖10所示，其中綠色、青色分別代表兩類零件，紅色區(qū)域為子零件與母體材料分離區(qū)，嵌套加工同步完成的兩個零件如圖11所示。

圖10 觸摸屏面板嵌套加工模擬

圖11 嵌套加工同步完成的兩個零件

4 結(jié)束語

嵌套加工法實現(xiàn)了在一塊板材上完成多種零件的同步加工。此工藝方法解決了加工顯示器面板的余料浪費問題，使原來加工母零件產(chǎn)生的廢料得到高效利用。

另外，對產(chǎn)生的余料進行實時同步加工，完成了最多3種零件的同步優(yōu)質(zhì)高效加工，節(jié)約了相關(guān)的費用，同時子零件的生產(chǎn)周期也縮短了40%。由于減少了子零件數(shù)銑工序的裝夾、調(diào)整時間，采用了刀具共享加工工藝，因此縮短了機床的待機和非切削時間，有效提高了設(shè)備使用效率。