陳祥林 王文英

(①蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215104;②煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713)

陀螺儀是現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀，能夠精確確定運(yùn)動(dòng)物體的方位，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)、國(guó)防及其他高科技具有十分重要的戰(zhàn)略意義。高穩(wěn)定性和抗干擾性，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)陀螺的要求。因此，必須采用適當(dāng)?shù)姆庋b以確保內(nèi)部線(xiàn)圈良好的堅(jiān)固性，比如在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場(chǎng)等情況下,陀螺也必須有足夠的精度才能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求[1]。

如圖1是某型號(hào)陀螺儀的關(guān)鍵密封部件——環(huán)蓋，其外形是圓環(huán)的一部分，兩側(cè)凸起為加強(qiáng)筋，整體屬于薄壁件范疇，主要用于隔絕高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)及強(qiáng)震對(duì)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子和內(nèi)環(huán)架的影響，密封要求高。根據(jù)圖紙要求，環(huán)蓋內(nèi)表面粗糙度要求達(dá)到0.8 μm，外表面1.6 μm，且內(nèi)表面圓度公差在0.03 mm以?xún)?nèi)，其加工與組裝精度直接影響到密封效果。環(huán)蓋月需求約300～500件，蘇州某公司承接了該項(xiàng)目，但在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上通過(guò)常規(guī)加工存在一定困難。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床、夾具、刀具等進(jìn)行了分析與研究，提出了解決該問(wèn)題的有效辦法。

1 環(huán)蓋加工技術(shù)分析

沖壓是利用模具在壓力機(jī)上將金屬板材制成各種板片狀工件及殼體、容器類(lèi)工件，或?qū)⒐芗瞥筛鞣N管狀工件[2]。若采用沖壓方式加工此工件，環(huán)蓋兩側(cè)的加強(qiáng)筋會(huì)因彎曲邊過(guò)短而不易被彎曲成形，且模具制作成本較大，小批量的工件加工會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高，因而不適合。

根據(jù)上述原因，擬采用冷切削加工的方式。環(huán)蓋的基本壁厚為2.5 mm，兩側(cè)加強(qiáng)筋壁厚為4.5 mm，屬于薄壁件的范疇。因薄壁工件剛性差，強(qiáng)度弱，在加工中極易變形，使工件的形位誤差增大，不易保證工件的加工質(zhì)量，因而薄壁工件的加工是切削中比較棘手的問(wèn)題。

一般影響薄壁工件加工精度的因素主要有以下3個(gè)方面[3]：

(1)易受力變形：因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。

(2)易受熱變形：因工件較薄，切削熱會(huì)引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。

(3)易振動(dòng)變形：在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

若采用常規(guī)方法裝夾工件并進(jìn)行切削加工，不但很難達(dá)到工件技術(shù)要求，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。需要充分考慮工藝技術(shù)對(duì)工件加工質(zhì)量的影響，有效克服薄壁工件加工過(guò)程中出現(xiàn)的變形，設(shè)計(jì)一套適合薄壁工件的專(zhuān)用夾具，為今后更好的加工此類(lèi)工件提供好的依據(jù)。

2 環(huán)蓋加工工藝設(shè)計(jì)

2.1 加工設(shè)備選擇

該公司目前使用的主要設(shè)備是數(shù)控車(chē)床、立式加工中心(三軸)，若添置新設(shè)備將導(dǎo)致投入的成本大幅增加。根據(jù)環(huán)蓋工件圖及技術(shù)要求可知，環(huán)蓋內(nèi)表面粗糙度要求高，因車(chē)削是連續(xù)切削，銑削是斷續(xù)切削，車(chē)削去除材料的速度高于銑削速度，且車(chē)削工件表面粗糙度和加工精度均高于銑削工件[3]，所以工件內(nèi)表面擬采用車(chē)削完成，工件的加工主要在現(xiàn)有的車(chē)床與加工中心上完成。

2.2 毛坯選擇

環(huán)蓋材料為6061合金鋁,具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)加工性,同時(shí)具有中等強(qiáng)度,是目前應(yīng)用最廣泛的合金。根據(jù)市場(chǎng)鋁型材的規(guī)格，環(huán)蓋毛坯選用外徑φ190 mm，內(nèi)徑φ168 mm，長(zhǎng)度為240 mm的6061鋁圓環(huán)。

2.3 夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)蓋工件的結(jié)構(gòu)，為避免影響薄壁工件加工精度，設(shè)計(jì)了如圖2所示的專(zhuān)用夾具，該夾具主要由夾具體、定位塊和精密平口鉗組成。

夾具體是夾具的關(guān)鍵零件，它由相連的大小兩端組成，小端被平口鉗夾緊固定，大端為外徑與環(huán)蓋內(nèi)徑相同的柱體，環(huán)蓋半成品(圖2中的毛坯)套入大端并以臺(tái)階軸向定位，以?xún)蓚?cè)圓周分布的8個(gè)緊固螺釘固定。

夾具體大端側(cè)面設(shè)有與環(huán)蓋加工角度相對(duì)應(yīng)的系列定位孔(此處的定位孔分布與環(huán)蓋需要加工要素相關(guān))，定位銷(xiāo)插入定位孔，并以平口鉗的固定鉗口上端面為定位面，用以圓周定位。

定位塊以壓板固定于機(jī)床工作臺(tái)上(如圖3所示)，定位塊的上端弧面與環(huán)蓋外徑相同，與環(huán)蓋外徑圓弧緊密貼合，并以此作為徑向定位。

2.4 工序設(shè)計(jì)

在制定機(jī)械加工工藝方案時(shí)，必須要體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、保證質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)合理、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度及安全可靠的原則,而工藝流程作為其骨架，在整個(gè)加工方案中起著舉足輕重的作用[4]。環(huán)蓋的加工工序如表1所示。

(1)工序1～7，利用車(chē)床對(duì)毛坯進(jìn)行車(chē)削加工，同時(shí)獲得3個(gè)環(huán)蓋半成品(減少夾持部分的浪費(fèi))，如表1中對(duì)應(yīng)工序后的加工圖所示。

(2)工序8～9，如圖4所示的環(huán)蓋加工實(shí)物圖，使用專(zhuān)用夾具裝夾環(huán)蓋半成品，并使夾具體處于初始位置(0°)，利用銑刀銑削，使之兩兩分離。

(3)工序10～12，利用定位孔調(diào)整夾具體角度為3.3°，分別利用定位鉆和鉆頭加工3個(gè)孔斜角和鉆孔。

(4)工序13～15，利用定位孔調(diào)整夾具體角度為41.8°，分別利用定位鉆和鉆頭加工2個(gè)孔斜角和鉆孔。

表1 加工工序

(5)工序16～18，利用定位孔調(diào)整夾具體角度為80.3°，分別利用定位鉆和鉆頭加工3個(gè)孔斜角和鉆孔。

(6)工序19～20，利用定位孔調(diào)整夾具體角度為83.6°，利用銑刀銑削，使之兩兩分離，完成1個(gè)環(huán)蓋加工。

(7)利用定位孔，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)夾具體，重復(fù)工序8～20，完成4個(gè)環(huán)蓋工件加工。

2.5 夾具工作原理

該專(zhuān)用夾具的具體工作原理如下：

(1)首先利用壓板將平口鉗安裝到加工中心工作臺(tái)，鎖緊活動(dòng)鉗口夾持住夾具體小端，打表分中找到夾具體中心線(xiàn)坐標(biāo)，根據(jù)此坐標(biāo)放置定位塊(目的讓定位塊上圓弧中心線(xiàn)與夾具體中心線(xiàn)重合)，用壓板固定。

(2)松開(kāi)移動(dòng)鉗口，將內(nèi)、外徑尺寸車(chē)削到位的環(huán)蓋毛坯套入夾具體大端，靠近臺(tái)階側(cè)面軸向定位，用8個(gè)緊固螺釘鎖緊。

(3)將安裝了環(huán)蓋毛坯的夾具體放在定位塊圓弧面上，讓環(huán)蓋毛坯外徑與定位塊圓弧面貼緊，夾具體右端大面貼近平口鉗固定鉗口側(cè)面，軸向定位。

(4)將定位銷(xiāo)(圓棒，可用與定位孔相應(yīng)直徑廢棄的立銑刀柄端代替)插入夾具體的定位孔，轉(zhuǎn)動(dòng)夾具體，讓定位銷(xiāo)與固定鉗口上表面接觸，圓周定位，鎖緊活動(dòng)鉗口(此處平口鉗與夾具體小端雖為線(xiàn)接觸，但因切割力不大且作用在平口鉗固定鉗口側(cè)面，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，固定可靠)。

(5)加工中心銑刀在環(huán)蓋毛坯最高處開(kāi)始加工，再根據(jù)工序要求，松開(kāi)活動(dòng)鉗口，重復(fù)步驟3、4，調(diào)整定位銷(xiāo)在定位孔的位置，加工其他元素，直至全部完成(按照環(huán)蓋工件圖，可加工出4個(gè))，完成后如圖5所示(包含夾具體)。

3 環(huán)蓋新工藝優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)上述技術(shù)方案的運(yùn)用，環(huán)蓋順利加工完成。經(jīng)檢測(cè)，尺寸精度達(dá)到工件圖紙的要求。本夾具與傳統(tǒng)夾具相比具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)因?yàn)榄h(huán)蓋緊貼夾具體，受力均勻，散熱效果好，不易發(fā)生變形。

(2)前工序采用了車(chē)削加工，內(nèi)、外徑表面質(zhì)量高。

(3)固定可靠，定位精確，加工精度高，相對(duì)四軸加工中心，有著較大的優(yōu)勢(shì)，減少了對(duì)高性能機(jī)床的依賴(lài)。四軸加工中心存在以下的缺點(diǎn)：①沿著A軸方向尺寸越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度及剛性對(duì)加工精度

的影響會(huì)隨之放大；②A(yíng)軸轉(zhuǎn)臺(tái)依靠三爪卡盤(pán)夾緊工件，三爪卡盤(pán)使用久了，隨著卡盤(pán)的磨損三爪會(huì)出現(xiàn)喇叭口狀，三爪也會(huì)慢慢偏離A軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心，精度難以保證[5]。

(4)一次可加工4個(gè)，提高了工作效率，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，制作方便，而且容易操作。

(5)環(huán)蓋4個(gè)圓弧角位置，因弧面高度差異，存在細(xì)微誤差，經(jīng)檢測(cè)不影響安裝精度。

4 結(jié)語(yǔ)

在生產(chǎn)中，加工工藝占有極其重要的地位[6]。根據(jù)環(huán)蓋工件的特殊結(jié)構(gòu)，利用專(zhuān)用夾具和三軸加工中心的組合，減少了對(duì)高性能機(jī)床的依賴(lài)。制訂了適合現(xiàn)有加工設(shè)備的加工工藝，規(guī)避了薄壁件加工的弊端，不但使環(huán)蓋的加工精度得以保證，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，協(xié)助該企業(yè)取得較大的經(jīng)濟(jì)效益，完成了既定的生產(chǎn)目標(biāo)，保障了陀螺儀的品質(zhì)，在同類(lèi)工件加工中具有一定的推廣價(jià)值。

[1]趙如福.金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)[M].上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2000.

[2]王光斗，王春福.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

[3]陳祥林，郭秀華.減速機(jī)端蓋的加工工藝研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014(7)：131-134.

[4]吳敬,張樹(shù)偉.連桿零件加工工藝分析及鉆孔夾具設(shè)計(jì) [J].機(jī)床與液壓,2013(6):131-132.

[5]郭秀華，陳祥林，周曲珠.提高法蘭同軸度和圓跳動(dòng)的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2014(11)：181-183.

[6]陳祥林，郭秀華.激光切割機(jī)切割頭支架的加工工藝研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016(10): 151-153.