秦慧斌，鄭智貞，張余升，白云鑫，黃榮軍

(1．中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051;2．上海航天設(shè)備制造總廠(chǎng)，上海 200245)

0 引言

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，閥門(mén)殼體類(lèi)新型航天整體結(jié)構(gòu)零件得到了廣泛使用［1］。閥門(mén)殼體零件用于控制流體的方向、壓力和流量，主要由法蘭、腔體、密封槽、螺紋孔等特征組成［2］。法蘭主要起到密封和連接作用，其上通常有連接用螺紋孔和密封用的密封槽;腔體主要是在保證強(qiáng)度基礎(chǔ)上，起到控制液體或氣體流向的作用。其連接表面要求質(zhì)量高，同時(shí)法蘭表面與腔體軸線(xiàn)有位置度要求，裝夾定位要求高。

閥門(mén)殼體類(lèi)零件，加工特征多，系列特性明顯，數(shù)控程序編制任務(wù)量大，重復(fù)勞動(dòng)多，編程效率低［3－4］。為提高閥門(mén)殼體系列零件的數(shù)控編程效率，依據(jù)閥門(mén)殼體零件的功能原理，確定零件的系列特性參數(shù)間相互關(guān)系，建立閥門(mén)殼體零件模型模板，研究系列零件的快速編程方法。旨在提高系列零件數(shù)控加工程序編制的自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)任務(wù)的快速響應(yīng)能力。

1 閥門(mén)殼體零件加工工藝路線(xiàn)的設(shè)計(jì)

1．1 毛坯模型的確定

圖1所示為閥門(mén)殼體零件的三維模型，腔體上連接三個(gè)法蘭，每個(gè)法蘭上都有密封槽和均布的連接用螺紋孔。閥門(mén)殼體零件的生產(chǎn)類(lèi)型為單件小批量，零件毛坯件為圓棒料，材料為硬鋁合金，加工所用設(shè)備為普通的三軸加工中心。

如圖2所示，定義閥門(mén)殼體零件的毛坯直徑參數(shù)為md，毛坯包絡(luò)零件的最小直徑參數(shù)ma，大端法蘭外徑直徑為da，上端法蘭外徑直徑為dl，殼體中心軸線(xiàn)與上端法蘭端面的距離為lp，用于計(jì)算毛坯直徑的中間參數(shù)為h，可有以下公式成立:

通過(guò)式(1)、(2)可得到:

取md=round(ma+4)

式(3)中round為取整函數(shù);并結(jié)合市場(chǎng)材料的規(guī)格尺寸，靠近規(guī)格尺寸取值來(lái)確定毛坯直徑。

圖1 閥門(mén)殼體零件的三維模型

圖2 閥門(mén)殼體零件毛坯計(jì)算簡(jiǎn)圖

1．2 設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具

閥門(mén)殼體零件的外柱面加工需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具，專(zhuān)用夾具如圖3所示。專(zhuān)用夾具由夾具底座，左側(cè)定位法蘭壁，右側(cè)支撐法蘭壁，螺紋旋轉(zhuǎn)夾緊組合裝置組成。閥門(mén)殼體零件的外圓柱面上表面加工工序模型、外圓柱面下表面加工工序模型、外圓柱面中部接縫面加工工序模型、上法蘭面加工工序模型的大法蘭端面分別與左側(cè)定位法蘭壁重合，通過(guò)螺栓螺母墊圈緊固件穿過(guò)大法蘭端面的兩個(gè)定位孔，將大法蘭端面與左側(cè)定位法蘭壁緊固，小端面法蘭被螺紋旋轉(zhuǎn)夾緊組合裝置夾緊。實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工序的加工。

圖3 閥門(mén)殼體零件的外柱面加工專(zhuān)用夾具

1．3 閥門(mén)殼體零件的加工工藝路線(xiàn)

閥門(mén)殼體零件的機(jī)械加工工藝路線(xiàn)大致可分為五大部分:

(1)閥門(mén)殼體零件內(nèi)腔的粗加工。下料，半精車(chē)毛坯左端面、毛坯右端面，鉆、擴(kuò)、鏜殼體內(nèi)腔。

(2)閥門(mén)殼體零件的外圓柱面外形粗加工。粗銑上半圓柱面外形，粗銑下半圓柱面外形，粗銑圓柱面中部接縫處外形，粗銑上法蘭端面、內(nèi)孔。

(3)熱處理。

(4)閥門(mén)殼體零件內(nèi)腔的精加工。精銑小法蘭端面，精銑大法蘭端面、密封槽、螺紋孔攻絲，精銑小端面、鉆孔、攻絲，精鏜殼體內(nèi)孔。

(5)閥門(mén)殼體零件的外圓柱面外形精加工。精銑上法蘭端面、鉆底孔、攻絲、挖槽、精銑內(nèi)孔，內(nèi)部倒圓角;精銑上半圓柱面外形，精銑下半圓柱面外形，精銑圓柱面中部接縫處外形。

2 建立閥門(mén)殼體零件模型模板

建立閥門(mén)殼體零件模型模板是實(shí)現(xiàn)閥門(mén)殼體系列零件快速數(shù)控編程的基礎(chǔ)［5－6］;閥門(mén)殼體零件模型模板是包含系列性能參數(shù)及其內(nèi)在關(guān)系的三維系列參數(shù)化模型，并建立了零件模型與毛坯模型之間的關(guān)系。閥門(mén)殼體零件模型模板系列性能參數(shù)變化后可以自動(dòng)生成閥門(mén)殼體零件三維模型及其毛坯模型。在閥門(mén)殼體零件模型模板的基礎(chǔ)上，可以按照閥門(mén)殼體零件的機(jī)械加工過(guò)程，完成加工仿真、后處理生成數(shù)控程序代碼。

2．1 系列驅(qū)動(dòng)參數(shù)的確定

閥門(mén)殼體零件的主要功能是用來(lái)控制流體的方向、壓力、流量，選取閥門(mén)殼體的三個(gè)法蘭內(nèi)徑分別作為其各個(gè)法蘭上其它特征的驅(qū)動(dòng)尺寸，法蘭上的其它尺寸作為從動(dòng)尺寸;另外每個(gè)法蘭上螺紋孔個(gè)數(shù)、大小根據(jù)設(shè)計(jì)用于安裝螺栓保證連接強(qiáng)度，選取各個(gè)法蘭上螺紋孔的個(gè)數(shù)、大小也作為驅(qū)動(dòng)尺寸。密封槽的大小、深度也作為驅(qū)動(dòng)參數(shù)，用于驅(qū)動(dòng)系列零件的生成;并建立毛坯模型尺寸與零件模型尺寸之間的關(guān)系。圖4為零件主模板的主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)變量。

圖4 零件模板正面剖視圖的參數(shù)變量示意圖

2．2 參數(shù)的命名與關(guān)系表達(dá)式

根據(jù)對(duì)參數(shù)所驅(qū)動(dòng)尺寸的分類(lèi)，用尺寸的類(lèi)型信息命名其驅(qū)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其尺寸參數(shù)命名的合理化與規(guī)范化。閥門(mén)殼體類(lèi)零件的參數(shù)可分類(lèi)為:直徑參數(shù)、半徑參數(shù)、長(zhǎng)度參數(shù)、角度參數(shù)、個(gè)數(shù)參數(shù)。直徑參數(shù):控制特征的回轉(zhuǎn)參數(shù)，命名依次為da、db、dc…;半徑參數(shù):控制過(guò)渡圓角的特征參數(shù)，命名依次為ra、rb、rc…;長(zhǎng)度參數(shù):控制特征位置，命名依次為 la、lb、lc…;角度參數(shù):控制尺寸定位角度，命名依次為ja、jb、jc…;個(gè)數(shù)參數(shù):控制特征的個(gè)數(shù)，命名依次為 na、nb、nc…。

2．3 建立閥門(mén)殼體零件模型模板

繪制輪廓草圖，按照定義變量并建立相應(yīng)關(guān)系，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)尺寸和特征，完成閥門(mén)殼體零件模型模板的創(chuàng)建。圖5所示為不同尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)殼體系列模型。

圖5 閥門(mén)殼體系列零件模型

3 閥門(mén)殼體零件模型模板的數(shù)控編程

建立模型模板與仿真加工過(guò)程的關(guān)聯(lián)。在建立關(guān)聯(lián)的時(shí)候，應(yīng)選擇零件表面或毛坯表面為加工參考面，而不是選擇有固定尺寸的參考面。創(chuàng)建機(jī)床坐標(biāo)系、創(chuàng)建安全平面、創(chuàng)建切削區(qū)域幾何體，按照1．3小節(jié)設(shè)定閥門(mén)殼體系列零件相應(yīng)加工特征的加工方法，設(shè)置工序工藝參數(shù)，并生成刀路軌跡，經(jīng)加工仿真驗(yàn)證，若加工仿真不滿(mǎn)足要求，則需要重新編輯修改上述過(guò)程。加工仿真滿(mǎn)足要求后，再進(jìn)行后處理，生成數(shù)控代碼。

4 系列特性參數(shù)變更與數(shù)控代碼生成

模型模板系列特性參數(shù)變更后的數(shù)控編程技術(shù)流程如圖6所示。

圖6 模型模板系列特性參數(shù)變更后的數(shù)控編程技術(shù)流程

4．1 零件模型與毛坯模型的變化更新

毛坯建模采用UG的拉伸命令，以基準(zhǔn)坐標(biāo)系的x－y平面為草繪截面，向大法蘭端面拉伸距離為li;向小法蘭端面拉伸距離為lf－li。以毛坯模型與零件模型的拓?fù)溥\(yùn)算來(lái)定義數(shù)控加工所要切除的材料位置和體積，通過(guò)參數(shù)控制確定毛坯零件的尺寸和位置，毛坯零件的尺寸和位置可以隨著零件參數(shù)的改變而做相應(yīng)的改變。

4．2 編輯更新加工操作

新生成的閥門(mén)殼體零件的數(shù)控編程將基于零件模板的數(shù)控加工操作重新進(jìn)行生成。點(diǎn)擊工具欄中【應(yīng)用模塊】按鈕，點(diǎn)擊【加工】按鈕，進(jìn)入U(xiǎn)G加工界面，零件模板加工過(guò)程的參數(shù)定義通過(guò)數(shù)值或表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照閥門(mén)殼體制造模型模板的工序?qū)Ш狡黜樞?，重新更新加工操作，點(diǎn)擊工具欄中的【生成刀軌】按鈕，生成零件系列特性參數(shù)變化后的刀路軌跡，經(jīng)后處理實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼更新。

4．3 零件數(shù)控加工驗(yàn)證

利用尼龍棒材料在VDL－600A加工中心上通過(guò)加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了以閥門(mén)殼體零件模板為基礎(chǔ)，在零件系列特性參數(shù)更改后，重新生成的數(shù)控加工NC代碼的正確性。證明了參數(shù)化控制零件族主模板可以實(shí)現(xiàn)系列零件的數(shù)控加工快速編程。圖7所示為閥門(mén)殼體零件外圓柱上表面的加工試驗(yàn)圖。

圖7 閥門(mén)殼體零件的加工試驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

研究了閥門(mén)殼體系列零件的數(shù)控編程方法，當(dāng)閥門(mén)殼體零件模型模板的系列特性參數(shù)和相互關(guān)系發(fā)生變化更新時(shí)，通過(guò)編輯和繼承加工操作，可實(shí)現(xiàn)NC程序的變型響應(yīng)，提高系列零件數(shù)控加工程序編制的自動(dòng)化程度。以解決系列零件，數(shù)控程序編制任務(wù)量大，重復(fù)勞動(dòng)多，編程效率低的問(wèn)題。

［1］ 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)．航天科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告2012－2013［M］．北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2014．

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