高 源 張小飛 楊培輝 崔 濤 李 杰 吳偉宏 張 鵬 王永國

（①上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444；②西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710000）

對(duì)于車削偏心結(jié)構(gòu)的零部件，零件的加工質(zhì)量和切削加工效率一直備受關(guān)注。車床裝卡零件的通用夾具為三爪卡盤、四爪卡盤，在切削加工過程中對(duì)零件只起夾緊定位作用[1]，對(duì)于偏心結(jié)構(gòu)件的切削效率作用之微弱，眾所周知。故而對(duì)于偏心結(jié)構(gòu)件的車削加工，都會(huì)設(shè)計(jì)專用公裝[2-6]，以克服車削加工過程中零件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)不平衡，從而實(shí)現(xiàn)保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提升加工效率。對(duì)于工裝的設(shè)計(jì)與研發(fā)，既要考慮工裝對(duì)產(chǎn)品的夾緊與定位的便捷性和可靠性，還要實(shí)現(xiàn)工裝對(duì)產(chǎn)品的夾緊力的準(zhǔn)確預(yù)設(shè)[7]。但是通用工裝也有其不可避免的弊病，其通用性不強(qiáng)，不適合小批量生產(chǎn)的零件加工，更適用于專用機(jī)床加工專用零件，或大批量生產(chǎn)加工的場(chǎng)合[8]。

航天發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件材料有高溫合金、鈦合金及高強(qiáng)不銹鋼等難加工材料，其中很多泵體為焊接組合件，體型龐大、結(jié)構(gòu)偏心，尤其在立式車床加工偏心結(jié)構(gòu)的零件，其加工效率受到回轉(zhuǎn)過程中離心力的限制，轉(zhuǎn)速較低。面對(duì)當(dāng)前航天產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的新機(jī)遇，對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件制造企業(yè)的高效加工能力提出了高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，企業(yè)必須不斷改進(jìn)工藝方法，引入新的技術(shù)和理念，尋求更加高效的工藝方案以提高生產(chǎn)效率，才能滿足生產(chǎn)任務(wù)的按時(shí)交付[9]。

本文提出了對(duì)于車削某一款回轉(zhuǎn)類偏心零件的加工效率有效提升的工藝方法-設(shè)計(jì)了專用工裝。通過配置配重塊，可有效調(diào)節(jié)零件自身的動(dòng)不平衡，采用多點(diǎn)輔助支撐，對(duì)零件進(jìn)行全約束，賦以厚實(shí)的底臺(tái)，設(shè)有對(duì)零件實(shí)現(xiàn)Z向微調(diào)的機(jī)制，增加零件加工系統(tǒng)整體剛性的同時(shí)，工裝亦可靈活調(diào)節(jié)，最終大幅提升加工效率。通過靜力學(xué)仿真，預(yù)測(cè)了零件的實(shí)際加工最高轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 工裝設(shè)計(jì)

1.1 零件分析

本文研究的加工零件屬于航天某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品上的關(guān)鍵零件，整體為高強(qiáng)不銹鋼材料的焊接組合件，結(jié)構(gòu)偏心（如圖1a 所示），案例中所研究零件重心在當(dāng)前坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：（-53.674，196.297，-16.877），重心向Z軸負(fù)向偏移16.887個(gè)單位，向X軸負(fù)向偏移53.674 個(gè)單位（如圖1b所示）。其主要材料去除發(fā)生在零件內(nèi)腔，且主要材料去除在立式數(shù)控車床完成。因鮮明的偏心結(jié)構(gòu)特征，零件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可避免的離心力，加工轉(zhuǎn)速越高，需克服的離心力越大，在沒有外界支撐的情況下，零件所發(fā)生的變形和位移越大，即產(chǎn)品的不合格率風(fēng)險(xiǎn)增加，這嚴(yán)重限制了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率。

圖1 零件模型重心分析（模型已簡(jiǎn)化處理）

零件生產(chǎn)效率低是諸多原因綜合作用導(dǎo)致，零件自身材料為高強(qiáng)不銹鋼材料，屬于難加工材料，對(duì)于刀具的耐用度有著巨大考驗(yàn)。刀具壽命低，將導(dǎo)致刀具的頻繁更換，機(jī)床停機(jī)的頻次增加，致使生產(chǎn)效率低。鮮明的偏心結(jié)構(gòu)亦是限制零件高效加工的主要原因之一，結(jié)構(gòu)偏心，導(dǎo)致零件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低，現(xiàn)場(chǎng)該零件加工時(shí)轉(zhuǎn)速只能達(dá)到25 r/min，轉(zhuǎn)速再增高，將面臨零件加工超差的風(fēng)險(xiǎn)。切削加工參數(shù)低，致使零件生產(chǎn)效率低。當(dāng)然，現(xiàn)場(chǎng)量具的準(zhǔn)備不充分，零件加工后的手動(dòng)去毛刺，刀具最優(yōu)選擇的情況下，亦難實(shí)現(xiàn)加工斷屑，操作工勾屑也占用一定時(shí)間等等。綜合因素下，導(dǎo)致該零件的生產(chǎn)效率低。在保證零件生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，單個(gè)零件生產(chǎn)成本可控范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)一種適合該零件的高效加工工藝方法迫在眉睫。

設(shè)計(jì)針對(duì)該款零件的專用工裝，有效克服零件加工過程中的離心力，實(shí)現(xiàn)零件的動(dòng)不平衡調(diào)節(jié)，從而提升零件的切削加工轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可服務(wù)于后期刀具的優(yōu)化，可完善切削參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)零件的生產(chǎn)效率的大幅提升。所以提出設(shè)計(jì)并開發(fā)專用工裝的工藝方法，實(shí)現(xiàn)零件的保質(zhì)提效。

1.2 工裝設(shè)計(jì)

在機(jī)械加工工裝夾具設(shè)計(jì)方面，需要結(jié)合加工實(shí)際情況設(shè)計(jì)工裝夾具結(jié)構(gòu)，盡可能避免采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以便使夾具設(shè)計(jì)成本降至最低，并且做到迅速完成工裝夾具操作[10]。做好工裝夾具定位設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)工件自由度有效控制，使機(jī)床、刀具和工件都處于準(zhǔn)確位置，確保機(jī)械加工精度滿足要求。經(jīng)前節(jié)1.1 中對(duì)零件結(jié)構(gòu)的分析，零件整體重心向X軸負(fù)向（彎管懸出向）和Z軸負(fù)向偏移，工裝的增設(shè)需有效調(diào)節(jié)零件工作中的動(dòng)不平衡，配置配重塊，以平衡離心力?？紤]零件的加工場(chǎng)合為立式數(shù)控車床，零件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故將工裝外形設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)體。結(jié)合工裝與零件的連接方式，因零件為高精密產(chǎn)品，尺寸精度要求較嚴(yán)，需加強(qiáng)零件自由度管控，能夠保證定位合理。采用六點(diǎn)定位法提供6 個(gè)支撐點(diǎn)，能夠避免工件自由度過高，在三維角度精準(zhǔn)確定夾具位置，可以實(shí)現(xiàn)工件高精度加工。定位支撐點(diǎn)以浮動(dòng)塊的形式，通過彈簧機(jī)制，保證浮動(dòng)塊與零件充分接觸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的嚴(yán)格限位，但對(duì)零件自由狀態(tài)下所施加的外力可忽略不計(jì)。綜合考慮工裝整體結(jié)構(gòu)的可靠性，耐用度以及對(duì)于操作工的安裝便利性，結(jié)合實(shí)際加工環(huán)境、工作狀態(tài)，參考機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]，設(shè)計(jì)如圖2 所示的專用工裝。

圖2 專用工裝的三維模型

1.3 工裝裝配與使用

工裝與零件的裝配模型如圖3a 所示，零件與工裝實(shí)物裝配如圖3b 所示。圖2 定義了工裝的每個(gè)組成構(gòu)件，構(gòu)件9(底胎)與零件地相想接觸，設(shè)有粗定位環(huán)，便于零件快速找正。構(gòu)件9 上同時(shí)設(shè)有構(gòu)件10(微調(diào)機(jī)制)，因零件為焊接組合件，每一個(gè)零件加工前的狀態(tài)不一致，端面會(huì)有0.02～0.07 mm的跳動(dòng)，構(gòu)件10 可便于零件找平端面。其中外框架（由構(gòu)件4(一層連接盤)、構(gòu)件5(二層連接盤)、構(gòu)件6（配重塊）、構(gòu)件9(底胎)、構(gòu)件10(4 個(gè)微調(diào)機(jī)制)和構(gòu)件13(4 根立柱)組成）只需一次裝配，每一次使用無需拆卸。外框架由吊車置于機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)中心，由壓板壓緊構(gòu)件9(底胎)，工裝即被固定。將零件自上而下落入工裝外框架內(nèi)腔，并使零件底面置于構(gòu)件9(底胎)粗定位環(huán)內(nèi)，找正零件后，從構(gòu)件9(底胎)的4 個(gè)U 型槽伸入壓板壓緊零件底面端面，固定零件。蓋上構(gòu)件1(蓋板)，4 個(gè)構(gòu)件2(鎖緊螺栓)將構(gòu)件1(蓋板)與構(gòu)件4(一層連接盤)固定。松開構(gòu)件3(鎖緊螺釘)，構(gòu)件12(彈簧)頂出構(gòu)件11(浮動(dòng)塊)，使構(gòu)件11(浮動(dòng)塊)與零件外圓面接觸，再鎖緊構(gòu)件3(鎖緊螺釘)，固定構(gòu)件11(浮動(dòng)塊)，充分限制零件在回轉(zhuǎn)過程中及切削加工過程中發(fā)生偏移。最后安裝構(gòu)件7(彎管支撐)和構(gòu)件8(彎管頂緊)，對(duì)零件彎管在旋轉(zhuǎn)過程的切向進(jìn)行限位，盡可能減小彎管所產(chǎn)生的應(yīng)力和形變，從而保證零件加工部位的最小應(yīng)力和形變。

圖3 工裝與零件的裝配圖

2 靜力學(xué)分析

本研究初衷是開發(fā)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件的高效加工工藝，相比原有的加工工藝，要在產(chǎn)品質(zhì)量有保障、生產(chǎn)成本可控的前提下，加工效率有顯著提升。在本研究正式投產(chǎn)前，做充分的理論分析，包括工裝與零件的裝配狀態(tài)下的靜力學(xué)分析，充分考量工裝的可靠性及本加工工藝方法的可行性，對(duì)本加工工藝方法可實(shí)現(xiàn)的提效指標(biāo)有初始的預(yù)期，同時(shí)對(duì)實(shí)際加工時(shí)的切削參數(shù)給予一定參考。

分別將單獨(dú)零件和零件與工裝的裝配體導(dǎo)入Workbench 環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行前處理：設(shè)置約束和工況，不裝置工裝時(shí)，零件實(shí)際加工時(shí)，用壓板壓緊零件底端端面，故仿真環(huán)境將其邊界條件設(shè)置為5自由度約束，僅釋放其軸向旋轉(zhuǎn)自由度。裝置工裝時(shí)，將零件底端與工裝構(gòu)件9(底胎)上端面做接觸連接，再將構(gòu)件9(底胎)下端面和圓柱面進(jìn)行約束，其中端面釋放軸向旋轉(zhuǎn)自由度，其他自由度均約束。再轉(zhuǎn)入求解器求解。根據(jù)零件的實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，精加工時(shí)需保證所有內(nèi)型和端面跳動(dòng)量均為0.02 mm以內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的切削加工轉(zhuǎn)速為25 r/min，在不裝配工裝的情況下，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。

據(jù)圖4 的仿真結(jié)果，零件整體在轉(zhuǎn)速25 r/min時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彎管出口靠近末端的內(nèi)壁處，最大應(yīng)力2.93 MPa。最大位移發(fā)生在彎管出口最邊緣，最大位移0.006 4 mm。由于主要關(guān)注的分析對(duì)象為零件的加工部位，即零件內(nèi)腔和端面。故根據(jù)零件加工部位的局部分析，內(nèi)型和最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近彎管的端面和內(nèi)型處，為1.36 MPa。最大位移發(fā)生處在最大應(yīng)力出現(xiàn)處周邊，最大位移為0.001 8 mm。

圖4 無工裝應(yīng)力與位移云圖（a 為應(yīng)力，b 為位移，仿真轉(zhuǎn)速為25 r/min）

從不加工裝的零件進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析結(jié)果看，在25 r/min 的轉(zhuǎn)速下，零件加工部位的最大位移僅為0.001 8 mm ?0.02 mm。對(duì)零件在該狀態(tài)下的最大應(yīng)力和最大位移值，加以零件零件大幅提效的迫切需求綜合考慮后，對(duì)加工裝和不加工裝兩種狀態(tài)下的零件分別選用轉(zhuǎn)速70 r/min、90 r/min 和120 r/min進(jìn)行仿真分析。

通過對(duì)單獨(dú)零件和工裝與零件裝配后的靜力學(xué)仿真分析，圖5、圖7 和圖9 為無工裝狀態(tài)下，分別以轉(zhuǎn)速70 r/min，90 r/min、120 r/min 進(jìn)行的仿真應(yīng)力和位移云圖，圖6、圖8 和圖10 為配置工裝狀態(tài)下，分別以轉(zhuǎn)速70 r/min，90 r/min、120 r/min 進(jìn)行的仿真應(yīng)力和位移云圖。隨著轉(zhuǎn)速的提升，零件產(chǎn)生的應(yīng)力增加，發(fā)生的位移也會(huì)越來越大。二者的一致之處在于，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置都在零件最外圍，即彎管出口外緣處，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到70 r/min 時(shí)，無工裝零件最大應(yīng)力為23.02 MPa，裝配工裝后零件最大應(yīng)力為23.12 MPa，二者應(yīng)力值相近。在該轉(zhuǎn)速下，無工裝零件加工部位最大位移為0.012 mm＜0.02 mm，裝配工裝后零件加工部位最大位移為0.002 mm＜0.02 mm，如此可得出：本研究的專用工裝對(duì)于該零件高轉(zhuǎn)速的切削加工有著顯著作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速提升至120 r/min 時(shí)，無工裝零件加工部位最大位移為0.035 mm＞0.02 mm，已超出工藝要求。裝配工裝后零件加工部位最大位移為0.007 mm＜0.02 mm，體現(xiàn)出本研究在高轉(zhuǎn)速下的可靠性，可堅(jiān)實(shí)保證零件的尺寸穩(wěn)定性。

圖5 無工裝應(yīng)力與位移云圖（a 為應(yīng)力，b 為位移，仿真轉(zhuǎn)速為70 r/min）

圖6 裝配工裝應(yīng)力與位移云圖（a 為應(yīng)力，b 為位移，仿真轉(zhuǎn)速為70 r/min）

圖8 裝配工裝應(yīng)力與位移云圖（a 為應(yīng)力，b 為位移，仿真轉(zhuǎn)速為90 r/min）

圖9 無工裝應(yīng)力與位移云圖（a 為應(yīng)力，b 為位移，仿真轉(zhuǎn)速為120 r/min）

圖10 裝配工裝應(yīng)力與位移云圖（a 為應(yīng)力，b 為位移，仿真轉(zhuǎn)速為120 r/min）

仿真的部分未能實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)后，零件在拆除工裝后處于自由狀態(tài)下的實(shí)際端面和內(nèi)孔的跳動(dòng)量的計(jì)算。另外本次仿真試驗(yàn)只是裝配體的高速運(yùn)轉(zhuǎn)仿真，并沒有實(shí)際的切削加工環(huán)節(jié)，切削加工過程中的切削力對(duì)零件狀態(tài)的影響，以及切削力和工裝的約束的綜合影響，在本次仿真中未能體現(xiàn)。故在實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)時(shí)，切削參數(shù)選擇上會(huì)相對(duì)保守。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)第2 章中的仿真結(jié)論，配置工裝時(shí)，在理想裝配的情況下，轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)120 r/min，零件加工部位變形滿足工藝要求。但實(shí)際切削加工過程是一個(gè)多因素耦合的復(fù)雜切削過程，考慮工裝與零件裝配的精確性，切削過程刀具的狀態(tài)，以及切削力和切削溫度對(duì)零件加工部位的尺寸精度和位置度的影響，在實(shí)際切削試驗(yàn)中，為保證產(chǎn)品件的精度要求，加工出的零件為合格產(chǎn)品，其半精加工轉(zhuǎn)速選用70 r/min，精加工轉(zhuǎn)速選用50 r/min。

本實(shí)驗(yàn)在臺(tái)灣立式車床（TongTai TVL-120CM）上完成。采用壓板壓緊工裝至機(jī)床工作臺(tái)面，零件與工裝底部采用壓板壓緊連接。加工前找正零件內(nèi)孔和端面，二者跳動(dòng)量均為0.01 mm。考慮仿真所用模型屬于理想型，連接程度也為理想型，結(jié)合實(shí)際切削加工時(shí)的零件狀態(tài)，遂決定半精車去余量，除過孔位置外，轉(zhuǎn)速70 r/min，進(jìn)給速度0.1 mm/r，相比原轉(zhuǎn)速25 r/min，進(jìn)給速度0.1 mm/r，轉(zhuǎn)速提升1.8 倍（工裝拆除前后的內(nèi)孔外圓跳動(dòng)量對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果做對(duì)比）。精車時(shí)轉(zhuǎn)速50 r/min，進(jìn)給速度0.06～0.1 mm/r，相比原轉(zhuǎn)速25 r/min，進(jìn)給速度0.06～0.1 mm/r，轉(zhuǎn)速提升1 倍?？傮w來看，純切削加工時(shí)間縮短至少一半。

所有加工部位結(jié)束后，拆除工裝前，端面（最上面端面）跳動(dòng)量0.005 mm。內(nèi)孔（?274 mm）跳動(dòng)量為0.005 mm。內(nèi)孔（?81 mm）跳動(dòng)量為0.005 mm，與第2 章中轉(zhuǎn)速70 r/min 的仿真結(jié)果0.002 mm的最大位移量很接近，同時(shí)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。釋放工裝與零件接觸的浮動(dòng)塊的約束和零件與工裝底胎處連接的壓板約束，使零件完全處于自由狀態(tài)下，測(cè)其端面跳動(dòng)量為0.005 mm，內(nèi)孔跳動(dòng)量為0.005 mm，完全滿足工藝要求，測(cè)量過程如圖11所示。后續(xù)經(jīng)多個(gè)產(chǎn)品件的加工驗(yàn)證，專用工裝在經(jīng)過高轉(zhuǎn)速切削加工后，零件的尺寸精度均滿足工藝要求。后續(xù)隨著工裝與零件的磨合期的延長(zhǎng)，操作工對(duì)工裝的熟悉了解程度，實(shí)際切削加工效率可逐步提高。

圖11 拆除工裝與零件接觸的浮動(dòng)塊進(jìn)行端面內(nèi)孔測(cè)量

4 結(jié)語

通過對(duì)航天某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件進(jìn)行工藝方案改進(jìn)，研究出適用的專用工裝。通過仿真分析，為實(shí)際切削加工時(shí)的切削轉(zhuǎn)速提供了理論參考，同時(shí)預(yù)估了實(shí)際切削加工過程中的加工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。最終通過切削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真的結(jié)果具備很強(qiáng)的參考價(jià)值，通過對(duì)工裝的逐步完善，其切削加工時(shí)間將得以大幅降低。

（1）對(duì)零件裝配專用工裝后進(jìn)行了靜力學(xué)仿真，其轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min 時(shí)，加工部位最大變形量為0.007 mm，低于工藝要求0.02 mm。而無專用工裝在相同轉(zhuǎn)速下，其仿真結(jié)果中加工部位最大變形量為0.031 mm，超過工藝要求0.02 mm。

（2）通過產(chǎn)品件實(shí)驗(yàn)，考慮現(xiàn)實(shí)加工的影響因素的復(fù)雜性，實(shí)際切削參數(shù)較為保守，最終實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)為半精加工時(shí)轉(zhuǎn)速70 r/min，精車時(shí)轉(zhuǎn)速50 r/min，進(jìn)給速度均為0.06～0.1 mm/r，通過對(duì)加工后的零件的內(nèi)孔和端面跳動(dòng)量的檢測(cè)，其跳動(dòng)值0.005 mm 與70 r/min 時(shí)的仿真結(jié)果中的零件加工部位最大位移值0.002 mm 很接近，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性，相比原工藝加工效率提升1 倍，產(chǎn)品質(zhì)量滿足工藝要求。