杜威

摘要：針對(duì)一種航空用薄壁長(zhǎng)筒多瓣爪形零件夾簧在加工過(guò)程中尺寸超差、表面粗糙度差、合格率低的問(wèn)題，從加工工藝方法、工藝裝備等方面展開(kāi)了研究分析。通過(guò)優(yōu)化工藝路線，設(shè)計(jì)專用夾具等方式，得到了有效的解決方案，明顯提高了產(chǎn)品合格率，解決了零件變形、無(wú)法裝夾等問(wèn)題。

Abstract： In order to solve the problems of dimension out of tolerance， poor surface roughness and low qualification rate in the machining process of a kind of claw spring with thin wall and long cylinder for aviation， the research and analysis are carried out from the aspects of processing technology and equipment. By optimizing the process route and designing the special fixture， the effective solution is obtained， the qualified rate of the product is obviously improved， and the problems such as deformation of parts and failure of clamping are solved.

關(guān)鍵詞：多瓣爪形;四軸數(shù)控銑;加工工藝;專用夾具

Key words： multilobed claw;four axis CNC milling;processing technology;special fixture

0 ?引言

在航空零部件制造中，數(shù)控銑削加工是飛機(jī)復(fù)雜零件、異形零件在最重要的機(jī)加工工藝之一，且占據(jù)較大的比重。優(yōu)良的加工工藝與專用工裝相結(jié)合，可以較大的改善零件的加工質(zhì)量，縮短加工時(shí)間，為新產(chǎn)品的研究提供了較大幫助。

夾簧是一種用于某型飛機(jī)的航空異形零部件，材質(zhì)為30CrMnSiA，結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。夾簧整體為長(zhǎng)圓筒形狀，壁厚2mm，一端有8個(gè)瓣爪，呈狹長(zhǎng)形，約占整體零件的3/4，內(nèi)壁53長(zhǎng)度部分粗糙度Ra0.8，外壁粗糙度1.6，尺寸為8級(jí)精度，是一種薄壁長(zhǎng)筒瓣爪形零件。由于零件形狀的特殊性，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少，因此，在以往的加工過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題。新的加工工藝對(duì)國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展尤為重要，只有優(yōu)化加工工藝才能夠提升工業(yè)生產(chǎn)效率，從而對(duì)科技和經(jīng)濟(jì)形成促進(jìn)作用[1]。本文針對(duì)這些問(wèn)題，優(yōu)化了加工工藝，設(shè)計(jì)了專用夾具，采用數(shù)控銑削加工方法，有效的提高了薄壁長(zhǎng)筒多瓣爪形零件加工能力，保證了工件的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 ?薄壁長(zhǎng)筒多瓣爪形零件的加工工藝分析

夾簧以往的加工工藝為：車工——線切割——鉗工——熱處理——車工——表面處理——成品檢驗(yàn)。車工加工螺紋M18×1.5，內(nèi)孔，粗糙度Ra0.8，外圓，粗糙度Ra1.6。然后，線切割制瓣爪形之間的根部為的8處寬度3的長(zhǎng)槽。由于線切割后會(huì)有尖邊，影響表面粗糙度，所以熱處理后車工還需要對(duì)外圓表面進(jìn)行拋光。

采用此工藝加工后，產(chǎn)品存在形狀不規(guī)則、側(cè)壁粗糙度低、尺寸嚴(yán)重超差等質(zhì)量缺陷，一次加工合格率不到30%，而且加工時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率極低。其主要存在的問(wèn)題主要為以下幾方面：

①在線切割加工過(guò)程中，瓣爪形部分會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的變化量，加工后瓣爪形寬度尺寸3大小不一。

②線切割加工后零件側(cè)壁粗糙度為Ra3.2μm～Ra6.3μm，不滿足技術(shù)要求。

③加工過(guò)程需要多次翻轉(zhuǎn)，每次三爪卡盤(pán)裝夾后都需要找正，容易產(chǎn)生多次定位的誤差，尺寸嚴(yán)重超差。

2 ?工藝改進(jìn)

2.1 加工工藝分析與優(yōu)化

夾簧的瓣爪形部分全部為圓周側(cè)壁上的加工，整個(gè)加工過(guò)程均需沿徑向切削。采用線切割工藝8個(gè)瓣爪需要8次裝夾，7次翻轉(zhuǎn)方向，多次裝夾找正會(huì)產(chǎn)生很大的累計(jì)誤差，顯然不是優(yōu)選的加工方案。四軸數(shù)控銑削的加工特點(diǎn)非常滿足夾簧的徑向切削要求，且精加工的表面粗糙度Ra可達(dá)到0.2μm，是加工該零件的最佳選擇。四軸數(shù)控立式銑削機(jī)床是在三軸平動(dòng)軸機(jī)床的基礎(chǔ)上增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的，可以自動(dòng)完成多平面、多角度的多工序加工。通過(guò)線性軸與旋轉(zhuǎn)軸組合可完成對(duì)螺旋線等典型特征的零件加工和對(duì)帶回轉(zhuǎn)特征的自由曲面一次性走刀，從而避免了接刀痕的產(chǎn)生，提高加工的表面質(zhì)量和精度[2]。

加工過(guò)程中，銑削加工數(shù)控編程采用四軸加工編程模式，先對(duì)一個(gè)瓣爪及槽創(chuàng)建模型，再運(yùn)用旋轉(zhuǎn)、鏡像工具完成整個(gè)實(shí)體的造型。通過(guò)建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等過(guò)程的模型，在實(shí)際加工之前分析與預(yù)測(cè)各切削參數(shù)的變化對(duì)加工過(guò)程的影響，對(duì)產(chǎn)品制造全過(guò)程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的反饋?zhàn)饔眠M(jìn)行實(shí)時(shí)的、并行的模擬，對(duì)產(chǎn)品的性能、可制造性等進(jìn)行預(yù)測(cè)，更有效、經(jīng)濟(jì)、靈活地組織生產(chǎn)[3]。

確定改進(jìn)后的工藝方案為：車工——數(shù)控銑——鉗工——熱處理——表面處理——成品檢驗(yàn)。數(shù)控銑削加工瓣爪形之間的長(zhǎng)槽，保證尺寸和寬度3，因?yàn)椴粫?huì)影響表面粗糙度，所以取消了熱處理后的車工拋光工序。

2.2 專用夾具的設(shè)計(jì)及改進(jìn)

夾簧瓣爪形部分除加工切削方向和粗糙度問(wèn)題外，還有個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，就是如何約束每個(gè)瓣爪自由度的問(wèn)題。零件整體為長(zhǎng)筒形，因此設(shè)計(jì)的工裝主體部分為和工件相配合的芯軸，工件嵌入芯軸內(nèi)，瓣爪端頭用工裝主體的環(huán)形卡槽進(jìn)行定位，用端蓋和鎖緊螺釘固定芯軸另一端。工件和工裝裝配關(guān)系見(jiàn)圖2。

用該工裝裝夾加工后，8個(gè)瓣爪形尺寸大小有所改善，但出現(xiàn)了新的問(wèn)題：加工表面有明顯的顫刀紋。分析原因?yàn)椋汗ぜ度牍ぱb鎖緊后，芯軸外表面約束了瓣爪加工前內(nèi)外表面得自由度，但是當(dāng)加工出單個(gè)瓣爪形狀時(shí)，兩側(cè)面的自由度就會(huì)部分失去約束。工件和芯軸是間隙配合，配合間隙約為（0.02～0.05）mm，加工過(guò)程中單個(gè)扇形出現(xiàn)徑向振動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致8個(gè)瓣爪尺寸出現(xiàn)偏差，表面產(chǎn)生顫刀紋。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題改進(jìn)了工裝，在芯軸8個(gè)凸塊上增加螺紋孔，安裝螺紋頂絲，用頂絲頂住瓣爪，從而限制其徑向自由度。

工裝初步改進(jìn)后，顫刀紋有所減輕，但沒(méi)有完全消除，在加工過(guò)程中，M4螺紋頂絲出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。分析原因：瓣爪為壁薄、細(xì)長(zhǎng)形狀，加工時(shí)工件表面的切削應(yīng)力很容易導(dǎo)致瓣爪的形變或彎曲，這時(shí)固定的螺紋頂絲和瓣爪之間就會(huì)出現(xiàn)間隙，頂絲不再起到約束的作用，瓣爪的徑向顫動(dòng)導(dǎo)致表面顫刀紋仍然存在。因此，對(duì)工裝進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，改進(jìn)后的工裝如圖3所示，實(shí)物圖見(jiàn)圖4。

將固定頂絲換成彈簧滾珠頂絲，如圖5所示。彈簧的預(yù)緊力可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償工件和工裝隙量的作用，避免機(jī)床振動(dòng)產(chǎn)生的松動(dòng)，解決了加工過(guò)程中的振顫、擺動(dòng)和變形問(wèn)題。滾珠對(duì)工件表面有良好的保護(hù)作用，不影響工件的表面粗糙度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

此外，我們還對(duì)該不規(guī)則零部件加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力消除方法進(jìn)行了研究。由于該零件形狀、材料及加工方法等原因，加工時(shí)工件表面的切削應(yīng)力很容易導(dǎo)致瓣爪的形變或彎曲，松動(dòng)、振顫等現(xiàn)象也證實(shí)了大量殘余應(yīng)力的存在。切削后有熱處理工序，可以有效解決殘余應(yīng)力的問(wèn)題，因此不再增加其它去應(yīng)力的手段[4]。

改進(jìn)后的工藝方案已應(yīng)用于2批次共計(jì)43件零件的加工，收到非常好的效果，產(chǎn)品一次合格率從不到30%提升至100%，解決了產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。成品件零件圖見(jiàn)圖6。

3 ?結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜零件和異形零件是汽車、航空器等產(chǎn)品中常用的零部件。本文針對(duì)航空器中常用的薄壁長(zhǎng)筒多瓣爪形零件夾簧合格率低的問(wèn)題，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工制造中存在的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并通過(guò)優(yōu)化加工工藝和設(shè)計(jì)制作專用工裝夾具。不僅提升了該類零件的加工精度、加工效率，也為機(jī)械加工夾緊機(jī)構(gòu)的限位補(bǔ)償提出了新的解決方案，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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