王麗華 趙 淳 喬遠(yuǎn)鵬

（①蘇州技師學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；②蘇州中谷實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215131）

隨著航空航天工業(yè)的繁榮發(fā)展，有著“工業(yè)大米”之稱的緊固件越來越受到航空航天產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)的重視[1]。航空緊固件產(chǎn)品，是為航空機(jī)械提供結(jié)構(gòu)連接的零件。緊固件保險(xiǎn)是指航空緊固件受到外力的作用會(huì)發(fā)生變形、振動(dòng)和材料高溫蠕變等情況，造成緊固件螺紋之間的摩擦力減小，產(chǎn)生松動(dòng)的可能，因此都應(yīng)該有保險(xiǎn)。對(duì)航空器上的緊固件，除了按規(guī)定要求擰緊力矩外，還要求采用某些措施以阻止它們的松動(dòng)趨勢，這些防松措施稱之為“保險(xiǎn)”。緊固件保險(xiǎn)，直接關(guān)系到航空航天器的安全運(yùn)行。緊固件保險(xiǎn)包括機(jī)械保險(xiǎn)和靠摩擦力保險(xiǎn)，其中機(jī)械保險(xiǎn)的基本原理是利用機(jī)械的辦法，阻止螺紋間(螺帽與螺桿間)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本文所述航空航天內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔，是在內(nèi)六角螺釘頭部，以金屬絲固定防止松動(dòng)使用的孔，為金屬絲孔，有單根、雙根保險(xiǎn)絲孔。

表1所示為部分內(nèi)六螺釘頭法線方向加工孔的要求，此螺釘為英制螺釘 。從表1中可以看出，螺釘號(hào)為04、06的螺釘 頭加工兩個(gè)孔；螺釘號(hào)為08、3、4、5的螺釘頭加工6個(gè)小孔，即內(nèi)六角的6個(gè)面均要求加工孔。如圖1所示加工孔的位置，表1中可看出螺釘?shù)某叽绱笮〉淖兓?，?duì)螺釘?shù)妮斔秃脱b夾具有不同的要求。

圖1 內(nèi)六角螺釘頭加工尺寸要求

表1 部分內(nèi)六角螺釘法線方向加工孔的要求

1 數(shù)控電火花高速小孔加工設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)

電火花小孔加工是利用電極絲旋轉(zhuǎn)與向下垂直進(jìn)給復(fù)合運(yùn)動(dòng)，通過脈沖放電達(dá)到加工的目的[2]。電火花小孔加工的特點(diǎn)有在加工中無切削力、加工的表面質(zhì)量好、精度高、加工孔的深徑比和加工效率等都比一般機(jī)械加工更高；能直接從復(fù)雜形面加工，能加工淬火鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金和高溫耐熱合金等難加工材料[3]；加工時(shí)采用銅管作為工具電極，成本很低等。基于數(shù)控電火花高速機(jī)床，通過改造設(shè)備的軟、硬件，研發(fā)了內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔自動(dòng)加工裝置和自動(dòng)換電極機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工保險(xiǎn)絲孔。

航空航天高溫合金內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔自動(dòng)加工設(shè)備如圖2，由床身、工作臺(tái)、立柱（主軸箱）、電極庫、旋轉(zhuǎn)頭、控制柜、操控臺(tái)和工件自動(dòng)送卸料夾持分度裝置組成，其中自動(dòng)換電極庫和自動(dòng)送卸料夾持分度裝置等進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)和改造。

圖2 航空航天高溫合金內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔自動(dòng)加工設(shè)備的示意圖

1.1 自動(dòng)換電極機(jī)構(gòu)

電火花高速小孔加工最適合加工直徑為0.3～3 mm左右的小孔，而且理論上深徑比可以超過200∶1[4]。電火花小孔加工采用中空的細(xì)小銅管作為工具電極，利用電極旋轉(zhuǎn)與向下垂直進(jìn)給復(fù)合運(yùn)動(dòng)，通過脈沖放電達(dá)到加工的目的。加工過程中電極損耗快，需手動(dòng)更換電極，操作不方便，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為此設(shè)計(jì)改用電極自動(dòng)換刀庫，進(jìn)行自動(dòng)換電極。由于加工直徑為0.1～3 mm時(shí)，銅管（電極）如圖3中，長度可達(dá)300、400或者500 mm，長徑比非常大，電極只能垂直放置，所以采用盤式電極自動(dòng)交換器結(jié)構(gòu)較適合，如圖3所示。此機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)：機(jī)械手伸出→抓住電極柄→機(jī)械手下降→機(jī)械手縮回→機(jī)械手上升→機(jī)械手縮回→放置盤式電極刀庫電極柄夾板10上，完成自動(dòng)更換電極的功能。

圖3 盤式電極自動(dòng)交換器的結(jié)構(gòu)外形示意圖

1.2 扶絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖4所示，加工孔直徑小于0.5 mm時(shí)，電極剛性差、容易彎曲、絲抖動(dòng)大，易造成工件報(bào)廢，只能“長電極短用”，電極浪費(fèi)嚴(yán)重，還需頻繁更換電極。如圖5所示，在導(dǎo)向器與電極夾頭間增加扶絲機(jī)構(gòu)（類似于導(dǎo)向裝置），有效提高了電極動(dòng)態(tài)剛性，降低了電極的側(cè)向抖動(dòng)，提升了加工的穩(wěn)定性，“長電極長用”，提高了小孔加工的合格率。

圖4 普通夾絲的效果圖

圖5 增加扶絲機(jī)構(gòu)的效果圖

1.3 電火花銑削加工編程軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電火花小孔加工需在特定加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，被加工工件尺寸與形狀受機(jī)床限制[5]，只能電極旋轉(zhuǎn)與向下垂直進(jìn)給復(fù)合運(yùn)動(dòng)加工小孔，不能加工孔口的倒角或圓角或異形孔。為加工保險(xiǎn)絲孔，以數(shù)控銑削加工編程技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計(jì)一款電火花銑削編程軟件系統(tǒng)，將電極的損耗，通過大量加工工藝數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，提出了電極損耗補(bǔ)償算法，解決了電極損耗因素，其運(yùn)動(dòng)軌跡又與金屬切削的數(shù)控編程軌跡相似，操作者可通過軟件對(duì)零件進(jìn)行異形孔或倒角或倒圓編程加工。

2 內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔夾具自動(dòng)送卸料夾持分度裝置的設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

自動(dòng)送卸料夾持分度裝置如圖6所示，由送料部分、定位夾緊分度部分和卸料部分組成。自動(dòng)送卸料夾持分度裝置的工作原理：內(nèi)六角螺釘通過振動(dòng)從送料導(dǎo)軌在重力作用下滾入定位上料導(dǎo)軌，然后無桿氣缸帶動(dòng)電機(jī)、定位和分度機(jī)構(gòu)向左移動(dòng)一定距離，定位和分度機(jī)構(gòu)中的彈簧壓縮，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)內(nèi)六角批頭在彈簧力的作用下自動(dòng)進(jìn)入內(nèi)六角螺釘頭中，實(shí)現(xiàn)定位；電機(jī)回到初始位置后，開始加工，加工到位后，電機(jī)根據(jù)需鉆孔的數(shù)量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度（螺釘頭加工6個(gè)孔轉(zhuǎn)60°，加工2個(gè)孔轉(zhuǎn)180°）繼續(xù)加工另一個(gè)孔，到位后再旋轉(zhuǎn)一定角度，直到依次完成所有孔的加工；最后電機(jī)回到初始位置，無桿氣缸帶動(dòng)電機(jī)、定位頭和分度機(jī)構(gòu)向右移動(dòng)，同時(shí)頂料桿將螺釘頂出，掉入卸料槽，螺釘順著卸料槽自動(dòng)卸料，完成一個(gè)內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔的自動(dòng)化加工過程。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人加工，對(duì)送料導(dǎo)軌、定位夾緊分度卸料部件、液壓系統(tǒng)等進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

圖6 工件自動(dòng)送卸料夾持分度裝置

2.2 送料定位導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

送料是通過振動(dòng)盤振入螺釘導(dǎo)軌，再落入定位槽。定位槽要低于導(dǎo)軌，螺釘落下之后正好卡在定位槽中，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如圖7所示。導(dǎo)軌的傾斜角度不能太大，也不能太小，角度太大螺釘容易卡死，角度太小螺釘有可能不會(huì)自動(dòng)滾落到定位槽。需要根據(jù)力的分析來確定傾斜角度，加工不同型號(hào)的螺釘選擇的角度有變化。導(dǎo)軌的大小型狀也應(yīng)根據(jù)螺釘?shù)牟煌煌?/p>

圖7 送料定位導(dǎo)軌

2.3 定位夾緊分度卸料部件的設(shè)計(jì)

定位夾緊分度部件由定位頭、支承電機(jī)座、電機(jī)和無桿氣缸等組成，如圖8所示。定位頭選用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭和彈簧等零件組成，根據(jù)加工不同型號(hào)的內(nèi)六角螺釘，方便地更換不同標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)六角批頭。該部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭之間需要絕緣，使用絕緣套將加工部分與驅(qū)動(dòng)部分絕緣，才能進(jìn)行正常的電火花加工，在此選擇合適的絕緣材料非常重要。在加工過程中需要高壓水作為工作液，此絕緣材料不能在水的浸泡下發(fā)生大的變形，多種材料試驗(yàn)對(duì)比，環(huán)氧樹脂棒料和板料性能突出，具有力學(xué)性能高、加工工藝性好、電絕緣性優(yōu)良、穩(wěn)定性好和環(huán)氧固化物的耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電加工設(shè)備中的絕緣零件。加工試驗(yàn)過程中，雖遇高壓水稍有變形，但影響很小，又因此絕緣材料價(jià)格便宜且易加工，綜合考慮最終設(shè)計(jì)選定環(huán)氧樹脂棒料作為絕緣套的材料。

圖8 定位夾緊分度部件

該機(jī)構(gòu)定位采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭與內(nèi)六角螺釘頭內(nèi)六角孔匹配，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)六角批頭，在彈簧力的作用下，內(nèi)六角批頭自動(dòng)落入螺釘頭內(nèi)六角孔內(nèi)并緊緊壓在定位槽的立柆面上，達(dá)到定位精準(zhǔn)而快速的效果。由于采用此方法定位，工件螺釘分度變得簡單，只要用電機(jī)直接帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭又帶動(dòng)螺釘工件一起旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到需要加工的分角（60°加工6個(gè)孔或180°加工2個(gè)孔）。卸料方式方便，當(dāng)自動(dòng)小孔加工完成后，無桿氣缸帶動(dòng)電機(jī)、定位頭、頂料桿復(fù)位，回到氣缸初始位置，同時(shí)頂料桿在這個(gè)過程中將內(nèi)六角螺釘頂出，順著卸料槽滾下，完成卸料。此部件結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能自動(dòng)加工不同規(guī)格的螺釘，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 內(nèi)六角螺釘保險(xiǎn)絲孔夾具氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)技術(shù)由于本身具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、輕便、可靠性高、壽命長、防火耐熱、阻電、抗震防爆、污染性小和工程快速集成實(shí)現(xiàn)等多種技術(shù)特點(diǎn)，已逐步發(fā)展成為我國推進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的全自動(dòng)化中必不可少的基本技術(shù)要素，是企業(yè)直接實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一[6]。設(shè)備中的定位夾緊分度卸料部件的定位夾緊及卸料，采用氣動(dòng)系統(tǒng)控制。由于機(jī)床已選定，即工作臺(tái)面大小已定，因此定位夾緊分度卸料部件與之匹配，尺寸不宜太大，選用無桿式氣缸，可以節(jié)省安裝空間。該機(jī)床中自動(dòng)換電極機(jī)構(gòu)也是采用氣動(dòng)系統(tǒng)，采用雙桿導(dǎo)向有桿氣缸，保證導(dǎo)向精度，如圖9所示。進(jìn)入機(jī)床的氣源一定要滿足本機(jī)床對(duì)氣源的技術(shù)要求。

圖9 氣動(dòng)回路圖

氣源處理裝置（二聯(lián)件）關(guān)鍵元件過濾器，選用亞德客（AirTAC）元件，因其過濾器具有獨(dú)特的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，使流過的氣體產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，從而更有效地分離氣體中的液體并可靠地過濾固體顆粒。安裝于主管路上，去除壓縮空氣中的油、水、雜質(zhì)，可延長精密過濾器的濾芯壽命和防止下游元件出現(xiàn)故障。

4.1 輸入/輸出管腳功能分配

控制系統(tǒng)選用了三菱FX3U系列PLC。FX3U系列是三菱第三代微型可編程控制器，內(nèi)置高達(dá)64 K大容量的RAM存儲(chǔ)器，內(nèi)置業(yè)界最高水平的高速處理 0.065 μS/基本指令，控制規(guī)模 16～384(包括CC-LINK I/O)點(diǎn)，內(nèi)置獨(dú)立3軸100 kHz定位功能(晶體管輸出型)，基本單元左側(cè)均可以連接功能強(qiáng)大、簡便易用的適配器[7]。

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入/輸出點(diǎn)需求和外部信號(hào)要求，PLC選用的型號(hào)為FX3U-32MT-ES-A，輸入/輸出管腳功能分配表如表2所示。

表2 輸入/輸出管腳功能分配表

4.2 編程設(shè)計(jì)

根據(jù)加工需求，動(dòng)作執(zhí)行的自動(dòng)加工步進(jìn)主程序流程圖如圖10所示。根據(jù)PLC輸入/輸出管腳功能分配，PLC梯形圖編程可分為如下兩大模式，2孔加工模式和6孔加工模式，使用狀態(tài)元件S，用步進(jìn)梯形圖指令完成。如圖11所示為二等分加工流程圖即2孔加工模式，六等分加工模式的流程圖與二等分加工流程圖相似，電機(jī)旋轉(zhuǎn)60°加工1個(gè)孔，加工6次。

圖10 自動(dòng)控制主程序流程圖

圖11 自動(dòng)控制二等分加工流程圖

經(jīng)過蘇州中谷實(shí)業(yè)有限公司批量加工試驗(yàn)，該自動(dòng)控制設(shè)備所加工的保險(xiǎn)絲孔能達(dá)到用戶需求，不同規(guī)格的螺釘可制定不同規(guī)格的送料定位導(dǎo)軌和下料槽，并在同一臺(tái)設(shè)備上自由更換，定位六角批頭也可自由更換，同一臺(tái)機(jī)器完成不同螺釘?shù)募庸?，裝夾穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，加工符合精度要求的產(chǎn)品，省時(shí)省力，減輕工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人操作。與傳統(tǒng)鉗工加工比較，鉗加工1個(gè)孔花2 min，去毛刺花10 s，工件為耐高溫螺釘，材料硬、難加工，易斷鉆頭，每加工10個(gè)孔左右，必須換鉆頭；而現(xiàn)在用電加工自動(dòng)加工1個(gè)孔只花3～4 s，毛刺加工孔時(shí)直接去掉。生產(chǎn)效率可提高30～80倍甚至更高。