韓利萍,武瑞剛,周 斌,解亞波,張艷文

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司,山西 長治 046012)

0 引言

薄壁回轉(zhuǎn)類零件由于重量輕、強度高等結(jié)構(gòu)特點，廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品。由于薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)零件剛度及加工工藝性差，銑削過程中在夾具夾緊力和切削載荷的作用下極易產(chǎn)生加工失穩(wěn)、振動和變形，導(dǎo)致其加工精度和表面加工質(zhì)量難以控制，嚴重制約了生產(chǎn)進度。因此，對此類工件進行工藝優(yōu)化研究具有極大意義和工程應(yīng)用價值。本文針對某型號產(chǎn)品濾清器法蘭的加工,在裝夾設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮夾緊力、切削力和接觸面積等對零件變形的影響，針對性地采取了有效措施，以確保零件的加工精度。

1 濾清器法蘭零件結(jié)構(gòu)分析

某型號產(chǎn)品濾清器法蘭是典型的薄壁回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)零件，如圖1所示。濾清器法蘭所用材料為1Gr18Ni9Ti，空心圓柱結(jié)構(gòu)，整體長度為260 mm，圓柱兩端壁厚均為2 mm，右端有階臺3 mm，最大直徑為Φ120 mm，最小直徑為Φ90 mm，圓柱端面上均布9個8 mm×80 mm腰圓槽，左端腰圓槽與左端面距離為3 mm。

圖1 濾清器法蘭零件

2 傳統(tǒng)加工方式存在的問題

2.1 傳統(tǒng)裝夾方式的缺點

夾具的主要功能是在加工中定位、約束和充分支持零件，對夾具的基本要求是將零件定位并牢固地夾持在一定的位置。加工過程中，該濾清器法蘭零件在夾緊力和切削力的作用下，夾具與零件的接觸變形和零件的軸向彈性變形會使零件偏離準(zhǔn)確位置，造成加工誤差，所以對此類零件所用的夾具要求較高。

通常此類零件是在四軸加工中心機床上銑削，應(yīng)用三爪卡盤和頂尖，采取一夾一頂方式限制5個自由度進行定位裝夾。如果選擇右端3 mm階臺作為夾持面，因接觸面太窄而無法保證圓柱母線與工作臺平行；如果將階臺伸入卡盤內(nèi)部，直接夾持圓柱表面，因受到零件壁厚的限制導(dǎo)致呈120°均布的3個卡爪與零件表面接觸為點接觸，很容易造成裝夾過程中零件的徑向變形。由此可見，傳統(tǒng)夾具的定位裝夾形式、布局及夾緊力大小直接影響夾具的剛度和穩(wěn)定性以及零件與夾具系統(tǒng)的剛度，從而影響了薄壁零件的裝夾變形和加工變形的程度，最終影響零件的加工精度和表面質(zhì)量。

2.2 傳統(tǒng)工裝的缺點

傳統(tǒng)加工過程中，針對該零件特點，設(shè)計了凸堵蓋工裝，如圖2所示。為確保銑削9個腰圓槽過程中堵蓋和刀具不發(fā)生干涉，堵蓋伸入圓柱內(nèi)孔的階臺尺寸只能小于3 mm，由于左端圓柱內(nèi)孔和堵蓋階臺都有0.5 mm的倒角，故接觸配合面積只有2 mm左右，切削過程中如果吃刀量太大，很容易造成震顫，甚至造成堵蓋脫離，導(dǎo)致定位失效。因此，切削過程中，在切削力、裝夾力、切削震顫、內(nèi)部應(yīng)力等因素作用下，加之零件剛度較低、加工工藝性差，該零件定會發(fā)生變形、失穩(wěn)和震動等，最終導(dǎo)致零件加工效率低，加工質(zhì)量達不到要求。

圖2 凸堵蓋工裝示意圖

3 裝夾方式優(yōu)化

針對該零件傳統(tǒng)加工方式中存在的問題，特進行了裝夾方式的優(yōu)化。該優(yōu)化方案的思路是：根據(jù)該零件的幾何結(jié)構(gòu)特點和加工精度要求進行切削過程中的受力分析，注重定位、夾緊形式和夾緊元件的選擇，在保證零件可靠夾緊的前提下使零件所受的綜合作用力和力矩盡可能小，使得零件和夾具系統(tǒng)的工藝剛度盡可能高，在減小裝夾變形的同時，使切削過程處在相對剛性最佳的狀態(tài)，以減輕和控制零件加工時的變形和振動。

3.1 夾具優(yōu)化

根據(jù)零件的特征，首先選擇Φ90 mm圓柱面作為右端裝夾定位支撐面，制作兩個Φ90 mm×60 mm半圓套(如圖3所示)，在使用過程中，應(yīng)避開Φ100 mm×3 mm階臺處，盡可能選擇大的平面(或曲面)作為定位面，這樣工裝與零件的定位接觸面積就大，避免逆著切削力來支撐零件，提高了零件定位面的加工精度。

圖3 半圓套工裝示意圖 圖4 凹形頂蓋工裝示意圖

利用半圓套工裝和零件Φ90 mm圓柱面進行配合裝夾，將原來施加在呈120°均布的3個卡爪上點接觸的裝夾力轉(zhuǎn)化為兩個半圓套工裝進行間接施力，使零件與工裝間有效接觸面積增大，提高了接觸剛度，同時半圓套工裝采用調(diào)質(zhì)硬度較高的45鋼材，提高了接觸表面硬度，減小了半圓套與零件的接觸變形。

3.2 工裝優(yōu)化

為改變傳統(tǒng)凸堵蓋在零件剛性差的方向和位置施加頂緊力造成零件的軸向局部變形，確保零件在加工過程中的可靠定位和夾緊，制作了如圖4所示的凹形頂蓋工裝。該工裝將零件左端較好地包容，增強了零件與工裝的配合剛性，在剛性較好的位置通過機床頂尖均勻地施加垂直于定位面的頂緊力，增加了頂緊力的作用面積，有效地減小了零件的軸向局部變形，確保了零件加工過程中的穩(wěn)定性，減小了加工震顫，避免了刀具過切，確保了加工質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。

設(shè)計完成后的零件裝夾三維模型如圖5所示。整個加工過程采用UG三維建模及數(shù)控編程，不僅為理論分析提供了模型，同時也規(guī)范了走刀路徑，優(yōu)化了切削參數(shù)，確保了加工質(zhì)量穩(wěn)定和加工效率的持續(xù)提升。

圖5 零件裝夾三維模型

4 結(jié)束語

針對薄壁回轉(zhuǎn)類零件加工過程中由于夾緊力及切削力作用和接觸面積等因素引起的零件變形問題，優(yōu)化了提高薄壁回轉(zhuǎn)類零件加工精度的裝夾方法，制作了專用的工裝夾具。根據(jù)薄壁回轉(zhuǎn)類零件的結(jié)構(gòu)特點，對工裝裝夾位置和夾緊力進行優(yōu)化，有效地降低了由于裝夾不當(dāng)所引起的零件徑向和軸向變形誤差，提高了零件的加工精度。在該項目的實施過程中，總結(jié)并形成了一套成熟的薄壁回轉(zhuǎn)類零件加工方法，具有良好的指導(dǎo)與實際應(yīng)用意義。