1  序言

X天线零件是某载子系统上的关键结构件，采用低刚度、轻量化结构，90%左右的壁厚＜1mm，最薄处仅0.5mm，特征多、精度要求高，材料去除率达97.15%。加工特征多，特别是波导腔精度要求高。在经过第一批次的摸索后，合格率仍不能达到批量生产要求。首批次加工后，合格率为87.59%，达不到量产要求。本文将阐述切削参数选择、编程策略选择及质量管理工具运用等方式，以达到突破加工技术瓶颈，高质量、高效率和低成本的批产化生产要求。

2  结构特点分析

X天线零件是以长宽为551mm×151mm、厚度为0.5mm的薄板为主体，在其上下叠加若干个薄壁方框组合而成，如图1所示。

图1　X天线零件剖视

X天线零件属于典型的深腔薄壁件[1]，其最大壁厚尺寸为0.8±0.05mm，最薄0.5±0.05mm，腔体最深为25.8±0.05mm。波导腔的宽度为60.7±0.05mm，长度为274.2mm，深度为25.8±0.05mm，壁厚为0.8±0.05mm。波导腔的精度及加工质量直接关系到收发信号等电讯指标的优劣，因此工艺总师要求波导腔精度提升至60.7mm×274.2mm。

3  不合格特征调查

对首批次加工的X天线零件进行调查，主要不合格特征有：波导腔宽度尺寸大、定位柱中心距尺寸小、扼流槽侧壁变形大及平面度值大等，统计结果并绘制排列图（见图2）。

图2　不合格特征排列

由图2可知，“波导腔宽度尺寸大”占比高达80.60%，是造成X天线零件数控铣削一次送检合格率低的主要问题，并且“尺寸大”均发生在距设筋较远、刚性较低的位置。

4  初步工艺方案拟定

X天线加工时间为24h，综合成本达6679元/件，按合格率87.59%计算，生产1800件合格品，至少需多投产255件，生产时间延长6120h，综合成本增加170万元，严重影响产品交付与成本，无法满足客户预期，合格率、效率问题亟待解决。综合考虑，初步制定以下方案。

（1）粗加工采用动态铣削策略　动态铣削加工技术是Mastercam的专利技术，因为可以通过算法智能控制刀具在运行过程中的负载，所以可以使用刀具的全侧刃，以大切削深度、小切削宽度的方式进行高速的材料去除，使大量的材料在短时间去除成为可能，负载的稳定控制，有效地避免了薄壁结构变形。X天线零件材料去除率达97.15%，考虑到90%左右的壁厚尺寸均＜1mm，初步计划将粗加工余量设置为1mm，以增加粗加工时的结构刚性，运用动态铣削策略提升效率、控制变形量[2，3]。

（2）半精加工余量优选　 采用铣刀侧齿精加工时，精加工余量是指在工件表面所切去的金属层厚度的垂直距离。精加工余量的大小，直接关系到铣削侧壁时是否发生振动出现振纹，表面粗糙度值变大并影响局部波导腔尺寸。铣削薄壁深腔时该现象会更为严重。半精加工余量需充分考虑切削振动和刀具承受能力，计划采用对分法优选精加工余量。

（3）精加工切削参数选择　 波导腔加工后不允许有接刀痕迹，因拐角R2mm，故选用直径4mm立铣刀精加工，长径比达12.9。在实际加工中，零件拐角的切削阻力最大，铣刀侧齿加工侧面时，交界处的转角成R形，当刀具的每齿进给量大时，交界处的R转角会出现过切现象，引起靠近R转角处两侧面局部的过切，如图3所示，因此计划采用正交试验法选择最佳的每齿进给量。

a）三维

b）二维

图3　转角过切现象示意

5  工艺方案实现

参照第一批次的加工经验先将粗加工余量定为1mm，再分别采用优选法、正交试验来选择半精加工余量，最后使用CAM软件设计NC程序（粗铣采用动态铣削策略，半精、精加工参照选定的参数）。

5.1 优选波导腔精加工余量

精加工余量采用对分法进行优选，试验区间分别用a和b表示，为0.05～1mm。波导腔宽度尺寸为60.7mm，试验中将该尺寸控制在中间公差附近，才能精确控制该尺寸。将波导腔宽度值考察标准设为60.66～60.69mm。以X1、X2表示每次试验壁厚的工艺参数，寻找波导腔精加工余量值试验方案见表1，共进行了3次试验，见表2～表4。

表1　设计波导腔精加工余量试验方案

表2　第1次试验测试及结果 （单位：mm）

波导腔精加工余量为0.525mm时，波导腔宽度均值为60.638mm，超出工艺参数要求。波导腔宽度值过小，说明精加工余量过大，去掉（X1，b）即去掉精加工余量0.525～1mm，留下（a，X1）即0.05～0.525mm，继续选则新的试验点，见表3。

表3　第2次试验测试及结果 （单位：mm）

波导腔精加工余量为0.288mm时，波导腔宽度均值为60.716mm，超出工艺参数要求。波导腔宽度值过大，说明精加工余量过小，去掉（X1，b）和（a，X2）即去掉精加工余量0.525～1mm和0.05～0.288mm，留下（X2，X1）即0.288～0.525mm，继续选择新的试验点，见表4。

表4　第3次试验测试及结果 （单位：mm）

波导腔精加工余量为0.407mm时，波导腔宽度均值为60.675mm，达到了工艺参数标准要求。

通过试验，波导腔宽度尺寸平均值为60.675mm，在试验工艺参数范围内，找到波导腔精加工余量为0.407mm。

5.2 确认刀具每齿进刀量

对影响每齿进给量的进给速度vf、转速n、刀齿数Z这3个因素进行正交试验[4，5]。

（1）明确试验目的　在切削宽度、切削深度等切削参数都确定的情况下，用φ 4mm立铣刀精加工时，明确vf、n及Z等对波导腔宽度尺寸的影响。

（2）确定考察的指标　要考察的指标为每齿进给量以及波导腔宽度尺寸差值的绝对值。

（3）挑因素、选位级、制定因素位级表　选用MIKRON 800LP高速铣削加工中心，相同的波导腔结构进行试验，确定需考察vf、n及Z这3个因素，现根据具体情况选出要考察、比较的位级，见表5。

表5　因素-位级

（4）设计试验方案　本试验共有3因素3个位级，可选择L9（34）正交表来安排试验，正交试验设计见表6。

表6　正交试验设计

（5）实施试验方案　根据表6，进行9次试验，并将每齿进刀量，波导腔宽度尺寸差值的绝对值等进行相关分析，正交试验结果见表7。

表7　正交试验结果

（6）试验结果分析　考察的两个指标，都是值越小越好。每齿进刀量由给定的3个因素，根据公式直接计算得出；波导腔宽度尺寸差值的绝对值通过实际加工后，使用三坐标测量仪测量得出，后续主要查看波导腔宽度尺寸差值的绝对值。

直接看：由表7可以看出最好的条件是A3B1C2，即转速n为20000r/min，进给速度vf为1500mm/min，刀齿数Z为3齿。

算一算：通过以上试验，计算相应的波导腔宽度尺寸差值的绝对值之和T、其平均值及极差R，整理的数据见表8。

表8　试验结果数据整理

由表8可知，波导腔宽度尺寸差值的绝对值，越小越好，通过计算，可以看出最好的条件是A3B1C3。直接看与算一算不一致，需要适当修改条件，继续试验。

从极差R的结果看，转速n是重要因素，其次是刀齿数Z，进给速度vf的影响较小。在后续的试验中，需要对影响较大的因素进行调整。

调优试验具体步骤如下。

1）调优因素位级选择。通过对前述试验的分析，小组认为以“算一算”的好条件为主，参考“直接看”的好条件，并考虑生产实际、成本和效率等，决定对n、vf、Z这3个因素及相应位级再考察，因素位级见表9。

表9　因素位级

2）制定正交表。对于表9所示的因素位级，可以使用L4（23）三因素两位级的正交表，制订的试验设计及结果见表10。

表10　试验设计及结果

3）试验结果分析。直接看：由表10可以看出最好的条件是A2B1C2，即转速n为20000r/min，进给速度vf为1500mm/min，刀齿数Z为4齿。

算一算，结果见表11。

表11　试验数据整理

由表11可知，对于波导腔宽度尺寸差值的绝对值，越小越好，通过计算，可以看出最好的条件是A2B1C2，直接看与算一算结果一致，且波导腔宽度尺寸差值的绝对值明显减小。

（7）生产验证及最优参数选择　本次试验的目的是通过对转速n、进给速度vf及刀齿数Z这3个对每齿进刀量有影响的参数进行试验，找到使波导腔宽度尺寸差值的绝对值变小的每齿进刀量，通过正交试验法的多次试验验证，波导腔宽度尺寸差值都得到了较好的控制。

通过运用上述参数跟踪验证10次，其波导腔宽度尺寸差值的绝对值稳定，因此选择转速n为20000r/min、进给速度vf为1500mm/min、刀齿数Z为4齿，每齿进给量为19μm。

5.3 数控程序设计

以上通过优选法、正交试验，确定最优精加工余量和切削参数。参照精确的试验数据和第一批次的加工经验总结，重新设计X天线的数控加工程序，为了提高粗加工的切削效率，减小粗加工的应力、变形量，将老程序中所有的粗加工策略全部改为动态铣削策略（因篇幅原因，数控程序设计过程在此不做缀述）。对连续3个批次的加工合格率进行跟踪记录，粗加工效率减少3h/件，产品平均合格率达到97.5%。

6  结束语

在近年来的产品结构设计中，轻薄化理念被广泛运用。机械加工行业竞争日趋白热化，企业要生存、要效益，显然还有相当多的生产力亟待提升。阐述采用切削参数选择、编程策略选择以及质量管理工具运用等方式，突破加工技术瓶颈，达到高质量、高效率及低成本批量生产的要求，取得了较好的效果，提升了企业在市场的竞争力。