龔志堅(jiān)，林中月，陳來(lái)三

(集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

異形殼體零件大多為鑄造件，存在切削余量大，制造過(guò)程中受切削力、切削熱影響，容易發(fā)生變形。設(shè)計(jì)夾具時(shí)，存在定位基準(zhǔn)和夾緊點(diǎn)不易選擇等眾多難題。合理規(guī)劃加工工藝是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期的關(guān)鍵。針對(duì)殼體類零件的數(shù)控加工工藝研究有許多，魏娟等[1]從圖紙技術(shù)分析入手，提出數(shù)控加工工藝方案并通過(guò)模擬加工進(jìn)行驗(yàn)證，證明了方案合理并用于實(shí)際加工；于桂欣等[2]研究了航空液壓殼體零件，提出了采用數(shù)控編程來(lái)提高加工效率；龍章海等[3]從影響孔系加工精度因素入手，提出提高位置精度方法；劉冠成等[4]針對(duì)薄壁零件提出改善裝夾方式，解決了薄壁件變形和加工效率低的問(wèn)題；謝福貴等[5]引入機(jī)器人進(jìn)行多機(jī)協(xié)同的新型制造模式，解決了大型構(gòu)件中變形誤差和切削振動(dòng)等制造難題。高翔等[6]提出增強(qiáng)薄壁零件工藝剛度，合理規(guī)劃走刀路線、優(yōu)化切削參數(shù)，解決了薄壁零件銑削工藝難題。殼體類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造受裝備、材料、刀具等眾多因素制約，方案合理選擇是解決難題的關(guān)鍵[7-9]。

上述研究多著重于工藝規(guī)劃和模擬仿真，對(duì)從毛坯開始進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)等方面的研究相對(duì)較少。某企業(yè)的機(jī)器人轉(zhuǎn)座零件加工存在毛坯余量大，零件壁厚不均勻，加工部位與零件結(jié)構(gòu)有一定的干涉，從而影響刀具選擇。因此本文重點(diǎn)闡述轉(zhuǎn)座這一特定零件數(shù)控加工工藝方案的選擇，據(jù)此設(shè)計(jì)專用夾具，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座零件的高效加工。

1 轉(zhuǎn)座工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)座零件示意圖如圖1所示，(圖中尺寸單位均為mm)。其中：圖1a)為機(jī)器人殼體零件轉(zhuǎn)座的3D模型，材料為QT500，由上下兩部分組成，上半部分為薄壁結(jié)構(gòu)，連接大臂，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人俯仰運(yùn)動(dòng)；下半部分為回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與底座相連，實(shí)現(xiàn)水平方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本文孔徑均為mm，其主要的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Key technical indices

續(xù)表1

2 轉(zhuǎn)座加工設(shè)備選型及夾具設(shè)計(jì)

2.1 加工設(shè)備的選擇

轉(zhuǎn)座加工既有空間軸線相互垂直的孔、面加工，又有不同角度上凸臺(tái)銑削和螺紋孔加工。這類異形殼體零件制造過(guò)程中，工作臺(tái)需要多次回轉(zhuǎn)，結(jié)合設(shè)備行程、定位精度等因素，選用數(shù)控系統(tǒng)為FANUC_0iMF的臥式加工中心(MCH_630)，X軸、Y軸、Z軸有效行程分別為1000，850，800 mm。

設(shè)計(jì)夾具時(shí)與設(shè)備相關(guān)的參數(shù)包括：

1)Z軸方向主軸端面至工作臺(tái)中心距離160～960 mm，這個(gè)參數(shù)決定了夾具在工作臺(tái)的安裝位置，并影響刀具長(zhǎng)度的選擇；

2)Y軸方向中心線至工作臺(tái)面距離50～900 mm，這個(gè)參數(shù)決定了夾具底板與工作臺(tái)最小高度；

3)交換工作臺(tái)時(shí)允許最大回轉(zhuǎn)直徑為900 mm，這個(gè)參數(shù)決定了夾具水平方向最大尺寸。

由于零件異形，既需要在重要面上鉆孔，也需在薄壁筋板上鉆孔，攻螺紋。因此，本設(shè)備具有中心出水的功能，有利于加工過(guò)程中排屑，并控制熱變形。

2.2 夾具設(shè)計(jì)

2.2.1 加工工序方案選擇

方案1。Φ182與Φ244孔系軸線在空間上垂直，它們之間的公共基準(zhǔn)是Φ458法蘭面，因此利用臥式加工中心工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成關(guān)鍵孔系和面加工，裝夾示意圖如圖2所示。

方案2。采用互為基準(zhǔn)方式保證加工的精度，即采用兩道工序、兩套夾具，分別完成Φ244孔系和Φ182孔系加工。兩種方案比較如表2所示。

表2 方案比較Tab.2 Scheme comparison

方案2中OP10工序，Φ485外圓及端面限制5個(gè)自由度，觀察窗口限制角向自由度，其定位誤差主要來(lái)源于毛坯鑄造精度，結(jié)構(gòu)上以自動(dòng)定心液壓卡盤作為主定位裝置，在X軸方向上設(shè)有校正平塊，用于檢驗(yàn)角向定位精度，防止由于定位超差，特別是Φ177凸臺(tái)和Φ244孔底面的平行度公差超標(biāo)，而產(chǎn)生余量不均勻和錯(cuò)位，影響加工質(zhì)量，甚至產(chǎn)生廢品。

OP20工序中，以Φ244孔及端面作為主定位，配合角向定位，實(shí)現(xiàn)工件正確裝夾。但工件裝夾存在頭重腳輕現(xiàn)象，因此在Φ485外圓及端面處設(shè)有輔助支撐和輔助夾緊裝置，確保Φ485外圓及端面銑削時(shí)有足夠的夾緊力滿足粗加工要求。

綜合考慮，選擇方案2為數(shù)控加工工藝方案。

2.2.2 定位元件和夾具底板的設(shè)計(jì)

OP10中Φ458圓柱面為毛坯面，定心卡盤延長(zhǎng)爪采用了滑軌結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)爪與定心拉桿活動(dòng)聯(lián)接，夾爪與工件接觸部分進(jìn)行局部高頻淬火熱處理，保證定位可靠。

OP20定位孔為已加工面，定心夾爪為軟爪，增大了整體接觸面，避免破壞定位面和定位精度。

定位支撐面固定在夾具底板上，夾具底板采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，支撐板采用T8淬火工具鋼，并進(jìn)行磨削處理以保證等高。底板采用上下兩層處理，降低夾具制造難度，兩層高度尺寸應(yīng)大于主軸中心線與工作臺(tái)最小距離，防止加工時(shí)造成刀具Y軸向行程不夠。

轉(zhuǎn)座零件尺寸大，質(zhì)量大，吊裝時(shí)不易保證平衡，因此，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)增加導(dǎo)向定位柱，縮短安裝工件時(shí)長(zhǎng)。工件最大外形尺寸為458 mm×492 mm，夾具外形尺寸大于工作臺(tái)尺寸，因此，設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)對(duì)稱布置，并在夾具上設(shè)有對(duì)刀塊，便于工件坐標(biāo)系設(shè)定。

按照上述定位和夾緊要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具，簡(jiǎn)圖如圖3、圖4所示。

2.3 平行度和夾緊力校核

2.3.1 平行度公差理論計(jì)算

OP10中Φ244底面和Φ177凸臺(tái)面分別位于同軸向兩個(gè)平行平面上，即加工后的Φ177凸臺(tái)面必須位于相距0.05 mm的兩個(gè)理想平面之間，且理想平面平行于Φ244孔的底面，與Φ244基準(zhǔn)面的位置關(guān)系如圖5所示。其中：ΔΖ為兩者平行度誤差，其計(jì)算式為

ΔΖ=ΦD×sinα。

(1)

式中：凸臺(tái)直徑ΦD=177 mm；α為工作臺(tái)回轉(zhuǎn)定位精度，α=0.005°。

由式(1)可知0.015 mm<0.05 mm，理論上旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)銑削Φ177凸臺(tái)面能保證平行度要求，同理也能保證Φ244孔與Φ110孔的同軸度要求。

2.3.2 夾緊力校核

夾緊裝置在夾具中起著重要作用，其產(chǎn)生的夾緊力確保了銑削過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榍邢髁Φ淖饔枚茐墓ぜㄎ?。OP20工序主要加工Φ458端面和相應(yīng)孔系，由于工件本身頭重腳輕，銑削平面時(shí)，在銑刀的銑削切向力和工件的重力作用下，YOZ平面的工件有繞支撐點(diǎn)O翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，需要通過(guò)夾緊裝置產(chǎn)生夾緊力克服。銑削平面是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，精確計(jì)算夾緊力很困難，但可以通過(guò)最惡劣工況進(jìn)行理論計(jì)算，作為夾緊裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)，確保其可靠性和安全性。工件受力示意圖如圖6所示。其中：F1、F2、F3為液壓壓板產(chǎn)生的夾緊力，分布在Φ177凸臺(tái)外圍對(duì)稱位置上，F(xiàn)1=F2=F3；Fq為銑削平面產(chǎn)生的切向力；F4為工件的重力；L1、L2、L3分別為力的作用點(diǎn)到翻轉(zhuǎn)中心O的距離。根據(jù)力矩平衡定理，可得夾緊力計(jì)算公式：

(F1+F2)L2=KFqL1+F4L3。

(2)

其中：K為安全系數(shù)。

銑削平面產(chǎn)生的切向力Fq主要由Φ458端面銑削條件計(jì)算得到。用Φ63齒數(shù)為6的方肩銑刀，切深ap=1 mm，切寬ae=36 mm，切削速度V=160 m/min，fz=0.12 mm/r，依據(jù)加工材料和銑削條件查得單位切削力p=3330 MPa，因此，可求得銑削平面產(chǎn)生的切削力為：

Fq=p[aeapfzZ/(πD)]=436 N。

式(2)中的安全系數(shù)K反映加工性質(zhì)，工藝系統(tǒng)工作狀況，綜合考慮，選擇K=2；F4=550 N；L1=89.5 mm；L2=135 mm；L3=17.7 mm。帶入公式(2)求得F1=F2=F3=325 N。

因此，液壓夾緊力必須大于325 N才能達(dá)到加工要求，綜合考慮選擇液壓系統(tǒng)工作壓力為4 MPa，并且在Φ458圓柱面處設(shè)置輔助支撐和輔助夾緊，用以改善切削環(huán)境，有利于保證平面度和垂直度的技術(shù)要求。

3 關(guān)鍵工序刀具選型

轉(zhuǎn)座零件上Φ167孔和Φ198圓臺(tái)需要通過(guò)Φ120孔進(jìn)行反鏜和反銑加工。為保證順利銑削，需要設(shè)計(jì)一把非標(biāo)的三面刃銑刀，銑刀設(shè)計(jì)依據(jù)見表3，結(jié)構(gòu)如圖7所示(圖中尺寸單位為mm)。

表3 非標(biāo)三面刃銑刀設(shè)計(jì)依據(jù)Tab.3 Design basis of non-standard three-edge milling cutter mm

4 夾具校正及加工結(jié)果分析

夾具固定在機(jī)床工作臺(tái)后，需要通過(guò)百分表校正基準(zhǔn)邊，并往復(fù)移動(dòng)工作臺(tái)，確保百分表偏擺值在0.01 mm以內(nèi)。夾具校正完成后，進(jìn)行工件安裝精度檢查，也是使用百分表接觸工件關(guān)鍵部位，夾具執(zhí)行夾緊、放松動(dòng)作，同時(shí)將工件偏離，觀察百分表指針變化，判斷夾具定位精度是否在合理范圍內(nèi)。

在銑削薄壁筋板時(shí)，現(xiàn)刀具懸伸不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)造成加工困難，此處平面為M4螺栓鉆孔攻牙的前道工序，因此將其改為锪孔，降低加工難度，保證切削順利進(jìn)行。

加工完成后，通過(guò)蔡司三坐標(biāo)檢測(cè)儀進(jìn)行工件測(cè)量，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果：平面度為0.015 mm；垂直度為0.008 mm；平行度為0.020 mm；同軸度為0.030 mm。其形位公差精度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，影響電機(jī)與RV減速器安裝垂直度精度提高60%。

5 結(jié)論

本文以機(jī)器人轉(zhuǎn)座的數(shù)控加工為研究對(duì)象，針對(duì)異形零件的加工難點(diǎn)和技術(shù)要求，制定了相應(yīng)的工藝方案。設(shè)計(jì)專用夾具時(shí)充分考慮機(jī)床、刀具和夾具之間相互影響關(guān)系，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和夾具的夾緊力進(jìn)行理論核算。實(shí)際加工檢測(cè)結(jié)果證明了工藝的合理性和工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的工藝方案是可行的，并為今后殼體類零件加工積累了經(jīng)驗(yàn)。