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，是為航空機械提供結(jié)構(gòu)連接的零件。緊固件保險是指航空緊固件受到外力的作用會發(fā)生變形、振動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)生松動的可能，因此都應(yīng)該有保險。對航空器上的緊固件，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趨勢，這些防松措施稱之為“保險”。緊固件保險，直接關(guān)系到航空航天器的安全運行。緊固件保險包括機械保險和靠摩擦力保險，其中機械保險的基本原理是利用機械的辦法，阻止螺紋間(螺帽與螺桿間)產(chǎn)生相對運動。本文所述航空航天內(nèi)六角螺釘保險絲孔，是在內(nèi)六角螺釘頭部，以金屬絲固定防止松動使用的孔，為金屬絲孔，有單根、雙根保險絲孔。

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，螺釘號為04、06的螺釘 頭加工兩個孔；螺釘號為08、3、4、5的螺釘頭加工6個小孔，即內(nèi)六角的6個面均要求加工孔。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?，對螺釘?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

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)合運動，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]；加工時采用銅管作為工具電極，成本很低等?；跀?shù)控電火花高速機床，通過改造設(shè)備的軟、硬件，研發(fā)了內(nèi)六角螺釘保險絲孔自動加工裝置和自動換電極機構(gòu)，以實現(xiàn)自動加工保險絲孔。

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

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

1.1 自動換電極機構(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)合運動，通過脈沖放電達(dá)到加工的目的。加工過程中電極損耗快，需手動更換電極，操作不方便，且費時費力，為此設(shè)計改用電極自動換刀庫，進(jìn)行自動換電極。由于加工直徑為0.1～3 mm時，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交換器結(jié)構(gòu)較適合，如圖3所示。此機構(gòu)能實現(xiàn)：機械手伸出→抓住電極柄→機械手下降→機械手縮回→機械手上升→機械手縮回→放置盤式電極刀庫電極柄夾板10上，完成自動更換電極的功能。

圖3 盤式電極自動交換器的結(jié)構(gòu)外形示意圖

1.2 扶絲機構(gòu)的設(shè)計

如圖4所示，加工孔直徑小于0.5 mm時，電極剛性差、容易彎曲、絲抖動大，易造成工件報廢，只能“長電極短用”，電極浪費嚴(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構(gòu)（類似于導(dǎo)向裝置），有效提高了電極動態(tài)剛性，降低了電極的側(cè)向抖動，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

傳統(tǒng)的電火花小孔加工需在特定加工機床上實現(xiàn)，被加工工件尺寸與形狀受機床限制[5]，只能電極旋轉(zhuǎn)與向下垂直進(jìn)給復(fù)合運動加工小孔，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，提出了電極損耗補償算法，解決了電極損耗因素，其運動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)六角螺釘保險絲孔夾具自動送卸料夾持分度裝置的設(shè)計

2.1 工作原理

自動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。自動送卸料夾持分度裝置的工作原理：內(nèi)六角螺釘通過振動從送料導(dǎo)軌在重力作用下滾入定位上料導(dǎo)軌，然后無桿氣缸帶動電機、定位和分度機構(gòu)向左移動一定距離，定位和分度機構(gòu)中的彈簧壓縮，電機順時針旋轉(zhuǎn)90°，此時內(nèi)六角批頭在彈簧力的作用下自動進(jìn)入內(nèi)六角螺釘頭中，實現(xiàn)定位；電機回到初始位置后，開始加工，加工到位后，電機根據(jù)需鉆孔的數(shù)量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度（螺釘頭加工6個孔轉(zhuǎn)60°，加工2個孔轉(zhuǎn)180°）繼續(xù)加工另一個孔，到位后再旋轉(zhuǎn)一定角度，直到依次完成所有孔的加工；最后電機回到初始位置，無桿氣缸帶動電機、定位頭和分度機構(gòu)向右移動，同時頂料桿將螺釘頂出，掉入卸料槽，螺釘順著卸料槽自動卸料，完成一個內(nèi)六角螺釘保險絲孔的自動化加工過程。為實現(xiàn)自動化無人加工，對送料導(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。

圖6 工件自動送卸料夾持分度裝置

2.2 送料定位導(dǎo)軌的設(shè)計

送料是通過振動盤振入螺釘導(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自動滾落到定位槽。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

定位夾緊分度部件由定位頭、支承電機座、電機和無桿氣缸等組成，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)計的關(guān)鍵是電機與標(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，多種材料試驗對比，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，廣泛用于電加工設(shè)備中的絕緣零件。加工試驗過程中，雖遇高壓水稍有變形，但影響很小，又因此絕緣材料價格便宜且易加工，綜合考慮最終設(shè)計選定環(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，通過電機旋轉(zhuǎn)帶動內(nèi)六角批頭，在彈簧力的作用下，內(nèi)六角批頭自動落入螺釘頭內(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，只要用電機直接帶動標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角批頭又帶動螺釘工件一起旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到需要加工的分角（60°加工6個孔或180°加工2個孔）。卸料方式方便，當(dāng)自動小孔加工完成后，無桿氣缸帶動電機、定位頭、頂料桿復(fù)位，回到氣缸初始位置，同時頂料桿在這個過程中將內(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)六角螺釘保險絲孔夾具氣壓系統(tǒng)的設(shè)計

氣動技術(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現(xiàn)等多種技術(shù)特點，已逐步發(fā)展成為我國推進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的全自動化中必不可少的基本技術(shù)要素，是企業(yè)直接實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動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，采用氣動系統(tǒng)控制。由于機床已選定，即工作臺面大小已定，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。該機床中自動換電極機構(gòu)也是采用氣動系統(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)入機床的氣源一定要滿足本機床對氣源的技術(shù)要求。

圖9 氣動回路圖

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，內(nèi)置獨立3軸100 kHz定位功能(晶體管輸出型)，基本單元左側(cè)均可以連接功能強大、簡便易用的適配器[7]。

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計輸入/輸出點需求和外部信號要求，PLC選用的型號為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

根據(jù)加工需求，動作執(zhí)行的自動加工步進(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，電機旋轉(zhuǎn)60°加工1個孔，加工6次。

圖10 自動控制主程序流程圖

圖11 自動控制二等分加工流程圖

經(jīng)過蘇州中谷實業(yè)有限公司批量加工試驗，該自動控制設(shè)備所加工的保險絲孔能達(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，并在同一臺設(shè)備上自由更換，定位六角批頭也可自由更換，同一臺機器完成不同螺釘?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，省時省力，減輕工作強度，實現(xiàn)自動化無人操作。與傳統(tǒng)鉗工加工比較，鉗加工1個孔花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個孔左右，必須換鉆頭；而現(xiàn)在用電加工自動加工1個孔只花3～4 s，毛刺加工孔時直接去掉。生產(chǎn)效率可提高30～80倍甚至更高。