蓋立武，李宗堂，萬(wàn)長(zhǎng)東，郭彩芬

蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

增壓連接管是清洗機(jī)的重要零件，該零件復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可增大水流壓強(qiáng)，進(jìn)而使清洗機(jī)的出水壓力增大，最終噴射出高壓水流到物體的污濁表面，達(dá)到清潔物體的目的。這些增壓聯(lián)結(jié)管多為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁異型鑄件，其在機(jī)床上裝夾定位較難，零件的加工質(zhì)量直接影響到清洗機(jī)的增壓效果。

圖1為某工廠生產(chǎn)的某型清洗機(jī)的增壓連接管，材質(zhì)為ZL115鑄鋁，月生產(chǎn)量為30000件，屬于大批量生產(chǎn)，零件上需要加工三個(gè)斜孔。常規(guī)方法是在普通鉆床上利用斜板通過(guò)人工調(diào)整進(jìn)行加工，零件的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量都無(wú)法滿足加工要求[1，2]。本文根據(jù)增壓連接管零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行工藝分析，設(shè)計(jì)了專用夾具以滿足其大批量生產(chǎn)的需求。

2 零件加工工藝分析

從圖1可以看出，該零件的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要在三個(gè)φ26mm大孔內(nèi)壁上各鉆一個(gè)φ2mm的斜孔，三個(gè)斜孔在圓周以120°等分角度分布。如果采用普通的孔加工方法，由于孔軸線與鉆孔平面不垂直，鉆頭單邊受力，作用在鉆頭切削刃上的徑向分力會(huì)使鉆頭軸線偏向一側(cè)，使鉆頭偏斜滑移，造成鉆孔中心偏位，難以保證鉆孔垂直；若鉆頭剛性不足還會(huì)出現(xiàn)因鉆頭偏斜而鉆不進(jìn)工件，導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)崩刃或折斷[2-4]。在普通鉆床上利用斜板進(jìn)行人工調(diào)整，裝夾一個(gè)工件需要50s，完成一個(gè)零件的加工需要3.5min，零件的合格率僅71%，平均每加工六個(gè)零件就損耗一個(gè)麻花鉆，零件的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性較差，因此急需增壓聯(lián)結(jié)管斜孔加工的專用夾具[5]。

圖1 增壓聯(lián)結(jié)管零件

通過(guò)對(duì)零件的工藝分析可知：①該零件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用通用夾具難以進(jìn)行裝夾，且上道工序中已經(jīng)完成三個(gè)φ8.5mm的工藝孔精加工，考慮采用三點(diǎn)定位的原理，將三個(gè)定位圓柱塞進(jìn)三個(gè)工藝孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)零件的位置定位；②本道工序加工的三個(gè)φ2mm斜孔相對(duì)于φ26mm孔上平面的傾斜角度相同，可以根據(jù)斜孔的傾斜角度設(shè)計(jì)相應(yīng)的基座，使鉆頭的軸線與斜孔的軸線平行，變斜孔加工為直孔加工，降低了加工難度；③零件的三個(gè)斜孔沿圓周120°等分角度分布，可以設(shè)計(jì)一個(gè)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，通過(guò)與定位元件的配合實(shí)現(xiàn)沿圓周三等分分度。

3 斜孔加工專用夾具設(shè)計(jì)

增壓聯(lián)結(jié)管斜孔加工專用夾具結(jié)構(gòu)見圖2。

1.工件 2.定位柱塞 3.轉(zhuǎn)盤 4.定位板 5.轉(zhuǎn)軸 6.支撐板 7.彈簧 8.鋼球 9.連接軸 10.墊片 11.螺母 12.支架板 13.底座 14.螺釘圖2 專用夾具的爆炸圖

3.1 夾具基座和定位柱塞設(shè)計(jì)

圖3為增壓聯(lián)結(jié)管斜孔加工專用夾具的剖視圖，從圖2和圖3可以看出，支架板有兩塊，對(duì)稱設(shè)置在底座的頂面上，其形狀為直角三角形，其一直角邊固定在底座上，斜邊與支撐板采用螺釘固定連接，可以通過(guò)改變支架板直角三角形的角度來(lái)鉆削不同角度的斜孔。通過(guò)支架板的傾斜角度使零件斜孔的軸線和鉆頭的軸線平行，從而將斜孔加工轉(zhuǎn)換成普通垂直孔加工，降低了加工難度。支撐板的頂面設(shè)有轉(zhuǎn)盤、彈簧和鋼球等定位組件。轉(zhuǎn)盤為圓盤狀結(jié)構(gòu)，中間有一個(gè)通孔，連接軸穿過(guò)轉(zhuǎn)盤和支撐板上的通孔并通過(guò)墊片和螺母固定。連接軸與轉(zhuǎn)盤和支撐板在徑向上為間隙配合，使得轉(zhuǎn)盤能繞著連接軸在支撐板上轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤的頂面沿圓周方向均布有三個(gè)與其垂直的定位柱塞，轉(zhuǎn)盤上的三個(gè)定位柱塞與零件上φ8.5mm的工藝孔為間隙配合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的平面定位。夾具通過(guò)三點(diǎn)式柱塞對(duì)零件實(shí)現(xiàn)平面定位，使零件定位可靠且精度高。

1.工件 2.定位柱塞 3.轉(zhuǎn)盤 4.定位板 5.轉(zhuǎn)軸 6.支撐板 7.彈簧 8.鋼球 9.連接軸 10.墊片 11.螺母 12.支架板 13.底座圖3 專用夾具的剖視圖

3.2 夾具的分度裝置設(shè)計(jì)

由圖3～圖5可以看出，轉(zhuǎn)盤的上面有3個(gè)凹槽，相對(duì)于軸線呈120°等角度分布，定位板可以卡進(jìn)轉(zhuǎn)盤上的凹槽實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤120°等角度的定位。轉(zhuǎn)盤底面設(shè)有一個(gè)直孔，直孔里設(shè)有彈簧和鋼球，其中彈簧位于里側(cè)，鋼球位于外側(cè)，鋼球與直孔為間隙配合，鋼球可以在彈簧力的作用下在直孔里來(lái)回移動(dòng)，支撐板的頂面設(shè)有供鋼球滑動(dòng)的圓環(huán)狀溝槽，圓環(huán)狀溝槽內(nèi)均布有三個(gè)可供鋼球定位的半球狀定位槽，半球狀定位槽的直徑比鋼球略大，其深度約為1/3鋼球直徑。

圖4 夾具分度裝置

圖5 夾具分度裝置爆炸圖

當(dāng)轉(zhuǎn)盤的直孔與支撐板上的定位槽重合時(shí)，由于彈簧力的作用，轉(zhuǎn)盤里的鋼球便卡進(jìn)支撐板的定位槽中實(shí)現(xiàn)夾具對(duì)零件的角度定位。加工完一個(gè)斜孔后，抬起定位板，用手轉(zhuǎn)動(dòng)零件帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，在支撐板壓力的作用下鋼球被擠進(jìn)轉(zhuǎn)盤中的直孔中，轉(zhuǎn)盤便可圍繞連接軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到一定角度后，鋼球便卡進(jìn)支撐板上另外一個(gè)定位槽中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)另一個(gè)斜孔的角度定位，支撐板上的圓環(huán)狀溝槽便于鋼球在上面滾動(dòng)，提高了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性。這種方式僅對(duì)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行定位，夾具采用定位板卡進(jìn)轉(zhuǎn)盤上的凹槽中實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的周向固定，這就使夾具既能對(duì)零件精確定位，又能承受較大的扭轉(zhuǎn)力矩。

4 關(guān)鍵零件的強(qiáng)度校核

夾具設(shè)計(jì)完成后，還需考慮夾具的關(guān)鍵零件的強(qiáng)度是否滿足使用要求，以及零件在切削力的作用下變形是否在允許范圍內(nèi)。

夾具材質(zhì)為40Cr合金鋼，零件為ZL115鑄鋁，40Cr材料的屈服強(qiáng)度為785MPa，零件在加工中最大允許位移為0.15mm。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速n=500r/min，采用手動(dòng)勻速進(jìn)給的方式，進(jìn)給量f≈200mm/min。使用Kistler 9257三向壓電式測(cè)力儀測(cè)得鉆削力Fz≈230N，考慮鑄件可能有硬質(zhì)點(diǎn)，在計(jì)算時(shí)選擇Fz=300N。采用ANSYS Workbench分析軟件對(duì)夾具的關(guān)鍵零件(連接軸)和零件本身進(jìn)行強(qiáng)度校核[11-13]。

4.1 ANSYS有限元模型

查表得知40Cr合金鋼密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3[14，15]。

圖6為夾具體和零件的添加約束示意。按夾具工作原理，固定夾具底座，在零件斜孔的加工位置添加一個(gè)300N的力。

圖6 夾具體和零件添加約束示意

采用四面體和六面體實(shí)體單元對(duì)夾具和零件整體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，完成網(wǎng)格劃分后夾具和零件的有限元模型如圖7所示，共104179個(gè)網(wǎng)格單元，174791個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖7 完成網(wǎng)格劃分后的夾具體和零件有限元模型

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖8和圖9分別為零件和夾具的位移云圖和應(yīng)力云圖。由圖8可知，最大位移在零件的斜孔端面附近，最大位移值為0.014682mm，遠(yuǎn)小于零件的允許位移量0.15mm；最大應(yīng)力在連接軸與支撐板的配合面處，最大應(yīng)力值為1.5989MPa(見圖9)，遠(yuǎn)小于40Cr材料的屈服強(qiáng)度785MPa。

圖8 夾具體和零件的位移云圖

圖9 連接軸的應(yīng)力云圖

5 工藝對(duì)比分析

圖10為增壓連接管零件斜孔加工專用夾具在機(jī)床上的應(yīng)用。專用夾具與零件在斜板上進(jìn)行人工調(diào)整的加工情況對(duì)比如表1所示?？芍?，采用專用夾具完成一個(gè)零件的總加工時(shí)間為2.3min，在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上檢測(cè)零件的合格率為97%，與人工調(diào)整加工相比，零件的合格率提高了26%，加工效率提高了34%，刀具壽命提高了5倍，滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖10 夾具在機(jī)床上的應(yīng)用

表1 專用夾具與人工調(diào)整的加工情況對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)清洗機(jī)增壓聯(lián)結(jié)管零件進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析，設(shè)計(jì)出滿足該零件斜孔加工的專用夾具，解決了該零件生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性較差的問(wèn)題。

(1)通過(guò)旋轉(zhuǎn)工件的安裝面使工件斜孔的軸線與鉆頭的軸線平行，將斜孔加工轉(zhuǎn)換成普通垂直孔加工，降低了加工難度。

(2)設(shè)計(jì)了一種由彈簧、鋼球及定位槽等組成的角度定位裝置，使鉆斜孔夾具的角度定位準(zhǔn)確，并具有一定的磨損自動(dòng)補(bǔ)償性。

(3)采用三點(diǎn)定位原則，通過(guò)定位柱塞使增壓連接管零件在斜面上定位，零件定位可靠且精度高。

該設(shè)計(jì)方案巧妙，夾具工作可靠，通過(guò)技術(shù)修改可以適應(yīng)不同復(fù)雜腔體類零件的斜孔加工。實(shí)踐證明：相較于零件在斜板上進(jìn)行人工調(diào)整的加工方法，本專用夾具加工效率提高了34%，零件的合格率提高了26%，刀具壽命提高了5倍，生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯。