一種滑動鎖緊裝置的創(chuàng)新設(shè)計與數(shù)控加工方法

劉 杰，郭燕伶，朱江江

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電系，廣州 511483）

0 引言

該裝置是一臺改裝沖壓機拉深過程測試設(shè)備上使用的，作用是使控制手柄能夠在支撐桿上移動并可隨意固定在任一位置上，要求滑動靈活，鎖緊可靠。外形有橢圓和拋物線要求。材料：硬鋁。

1 方案設(shè)計

該裝置附著于一根Φ24的長支撐桿上，要求滑動和鎖緊。可行性方案有三個。

第一個方案是最易想到的，在一個套筒側(cè)面打孔，并加螺栓，套筒滑動到鎖緊位置時，旋緊側(cè)面的螺栓，使之與中間的支撐桿相抵實現(xiàn)鎖緊。此方案的缺點是對中間支撐桿有傷害，且裝置表面突出螺栓后，操作不便也易使操作者受傷。

第二個方案是，保持套筒外形完整（不開孔），在套筒內(nèi)部想辦法，即在大套筒的內(nèi)部做一個小套筒。小套筒采用有良好彈性的橡膠材料。大套筒分成上下兩部分，采用螺紋連接。在旋進(jìn)螺紋時，使小套筒擠壓變形，與中間的支撐桿接觸達(dá)到互相鎖止的目的。如圖1所示。

該方案的難點在于中間橡膠小套筒的加工制造。由于橡膠本身的彈性，無論是車削還是銑削，刀具彈刀嚴(yán)重，所要求的內(nèi)外尺寸很難達(dá)到要求。尤其是內(nèi)孔的表面粗糙度過大，與支撐桿接觸后滑動不暢。分析方案二的問題，改進(jìn)措施有兩個，一是可先加工一根外圓直徑等于橡膠內(nèi)孔直徑的鐵棒，把鐵棒加熱后，伸入橡膠中使橡膠融化形成內(nèi)孔。試驗結(jié)果是鐵棒與橡膠接觸后，橡膠受力偏離，最終孔與外形的同軸度很差。另外一個措施是采用模具注塑出橡膠套筒。產(chǎn)品質(zhì)量絕對可以保證，但這只適用于大批量的生產(chǎn)，單件制造的成本過高。

圖1 設(shè)計方案二

最終的方案三如圖2所示。套筒仍然采用上下兩件螺紋連接，內(nèi)螺紋構(gòu)件中間通孔上端收縮為錐度孔。做4個圓心角相加為340度的楔片（此楔片前端也帶有錐度）。當(dāng)外螺紋構(gòu)件旋入時，推動4個楔片沿著內(nèi)螺紋構(gòu)件錐度孔前進(jìn)。由于4個楔片的總角度小于360度，楔片與楔片件有間隙。沿內(nèi)螺紋構(gòu)件錐度孔前進(jìn)過程中，間隙減小從而對中間支撐桿形成合圍收縮，達(dá)到了壓緊鎖止的目的。

圖2 設(shè)計方案三

2 基于Top-down設(shè)計思想的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機構(gòu)的原理設(shè)計完成后，接下來就是具體的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計。該項目除中間支撐桿直徑Φ24這一限定條件外，整個滑動鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸均為自行設(shè)計和確定。鑒于此，應(yīng)采用Topdown（自上而下）的設(shè)計方法。目前的產(chǎn)品設(shè)計方法（或過程）主要有兩類，一類是Bottom-up（自底向上），另一類即Top-down（自上而下）。Bottom-up主要思路是先分別設(shè)計好各個零件，然后將這些零件裝配在一起。如果裝配過程中零件發(fā)生了干涉或裝配完成后要修改設(shè)計意圖，將要對幾乎所有零件進(jìn)行修改，哪怕這種變動只是其中一個微不足道的零件引起的?？上攵?，這種方法使用在成熟產(chǎn)品設(shè)計上是高效的，但在創(chuàng)新設(shè)計階段，由修改導(dǎo)致的巨額工作量是災(zāi)難性的。這種方法也不能完全發(fā)揮現(xiàn)在流行三維設(shè)計軟件的功能[1]。

Top-down（自上而下）是一種先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計方法。它在產(chǎn)品設(shè)計的初期就按照產(chǎn)品的功能要求先定義產(chǎn)品架構(gòu)并考慮組件與零件、零件與零件的定位和約束關(guān)系，各零件以參數(shù)化的方式聯(lián)系在一起，而不僅僅是裝配關(guān)系。在完成整體方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計后，還可對單個零件進(jìn)行細(xì)化設(shè)計[2]。其優(yōu)越性尤其體現(xiàn)在，單獨修改某一零件的尺寸后，與其相關(guān)的其他零件的尺寸會自動發(fā)生變化。不必再修改其他零件。可見這種設(shè)計方法最大程度地減少了設(shè)計階段不必要的重復(fù)工作，提高了設(shè)計效率。

由于Pro/E軟件（美國參數(shù)化公司推出）以圖元參數(shù)化見長，所以能夠非常完美的支持和配合Top-down設(shè)計方法。具體到本例，首先在組件狀態(tài)下新建一個.asm文件，然后用“組件狀態(tài)下創(chuàng)建元件”的方法依次完成所有零件。其中，Φ24支撐桿的形狀和尺寸是預(yù)先給定的，是整個部件設(shè)計中“基礎(chǔ)零件”，要首先完成。后續(xù)自定義的其他所有零件都直接或間接地與它相關(guān)。這種相關(guān)性通過Pro/E的“參照”來實現(xiàn)。假如我們的設(shè)計初衷改變了，即某一被參照零件的的形狀或尺寸發(fā)生了變化，則其他后續(xù)建立的相關(guān)零件會自動發(fā)生變化（包括形狀、尺寸及各零件間的位置關(guān)系）。要實現(xiàn)以上這些智能化設(shè)計變更的前提是正確設(shè)置各零件間的參照，以及各零件設(shè)計的先后次序。本裝置中各零件的設(shè)計次序應(yīng)該是：①支撐桿→②內(nèi)螺紋構(gòu)件→③楔塊→④外螺紋構(gòu)件。各零件間的重要參照關(guān)系如圖3所示。

按上述要點完成整個裝置的三維設(shè)計后，可在組件狀態(tài)下單獨打開每個零件，并保存為.prt文件。然后，新建一個.dwt文件，可以把每個零件的三維圖轉(zhuǎn)為二維工程圖或把整個三維裝配圖轉(zhuǎn)為二維裝配圖，可以為后續(xù)的數(shù)控和常規(guī)機加工提供圖紙參考[3]。經(jīng)過完善后的內(nèi)螺紋構(gòu)件零件圖如圖4所示。自此，整個裝置的圖形設(shè)計階段完成。

3 數(shù)控加工方法

3.1 零件加工難點及解決方案

1）在內(nèi)外螺紋兩個構(gòu)件上有一段共同的橢圓輪廓。為保證兩個構(gòu)件上橢圓輪廓的一致性，除橢圓輪廓以外所有外加工面和內(nèi)孔輪廓都要先加工出來，然后兩構(gòu)件螺紋配合，再通過裝夾外螺紋構(gòu)件的方式一次性完成兩個零件的橢圓輪廓加工。

圖3 零件設(shè)計順序及參照關(guān)系

圖4 內(nèi)螺紋構(gòu)件工程圖

2）內(nèi)螺紋構(gòu)件軸端有單邊為1.75mm的薄壁，兩構(gòu)件配合后加工長度超過100mm，加工十分困難。應(yīng)考慮先做一條工藝軸，放入后，再用頂尖，才能達(dá)到公差要求。

3）構(gòu)件上存在橢圓與拋物線等復(fù)雜曲線輪廓，對編程要求高。手動和自動編程均可，建議優(yōu)先采用軟件自動編程，以保證加工精度和加工質(zhì)量。

3.2 加工工藝設(shè)計

1）機床選擇

根據(jù)零件的精度要求與輪廓形狀分析，選擇了沈陽機床廠的HTC2050斜床身全功能數(shù)控車床進(jìn)行加工，系統(tǒng)配備為華中HNC-22T。HTC2050斜床身數(shù)控車床具備有液壓卡盤、12工位刀架和恒線速車削功能，能滿足零件的精度要求與表面精度的控制。

2）定位和裝夾方式

HTC2050斜床身全功能數(shù)控車床采用液壓壓盤與尾座。針對內(nèi)螺紋構(gòu)件軸端加工到最后為單邊1.75mm的薄壁，并且兩構(gòu)件配合后加工長度超過100mm的問題，我們把事先做好的一條與內(nèi)孔緊密配合的工藝軸放入其中，并在工藝軸上鉆頂尖孔，最后采用“一夾一頂”的方式進(jìn)行加工。

3）加工工序

根據(jù)以上的零件結(jié)構(gòu)和工藝分析，可確定內(nèi)螺紋構(gòu)件加工工序如表1所示。

3.3 數(shù)控編程

依據(jù)以上工藝分析，內(nèi)螺紋構(gòu)件的內(nèi)輪廓加工的關(guān)鍵程序如下[4]：

表1 內(nèi)螺紋構(gòu)件加工工序卡片

G76C1A60X36Z-24K1.299U-0.1V0.1Q0.4F2（G76螺紋加工循環(huán)指令，C：精加工次數(shù)，A：螺紋角度，X：內(nèi)螺紋頂徑，Z：內(nèi)螺紋Z向終點坐標(biāo)，K：螺紋高度，U：精加工余量，V：最小切深，Q：第一刀切深，F(xiàn)：螺紋導(dǎo)程）

G0X100Z100（退刀）

M05（主軸停止）

M30（程序結(jié)束）

內(nèi)外螺紋兩個構(gòu)件上共同的橢圓輪廓，既可以用軟件自動編程，也可以用手工編程。程序如下[5]：

4 結(jié)束語

該滑動鎖緊裝置的設(shè)計制造大致可分為四個階段：方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、圖紙設(shè)計和數(shù)控加工。在方案設(shè)計階段通過對比分析三種滑動鎖緊裝置，從而提出最符合使用要求的新思路，新方案。體現(xiàn)了創(chuàng)新中繼承，繼承中創(chuàng)新的現(xiàn)代設(shè)計方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用強有力的三維設(shè)計軟件，貫徹先進(jìn)的Top-down設(shè)計思想完成，非常有利于體現(xiàn)設(shè)計者意圖并使后續(xù)的修改變得簡單易行。數(shù)控加工階段克服了幾個加工難點，可以作為類似加工素材的參考。整個裝置加工完成后如圖5所示。

圖5 裝置加工完成

[1]萬新華.實用創(chuàng)新發(fā)明教程[M].廣東: 汕頭大學(xué)出版社,2009.

[2]林清安.完全精通Pro/ENGINEER野火4.0中文版綜合教程[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2009.

[3]二代龍震工作室.Pro/DETAIL wildfire 4.0工程圖設(shè)計[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2008.

[4]武漢華中數(shù)控股份有限公司.華中車床編程說明書[S].2009.

[5]黃翔,李迎光.數(shù)控編程理論、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2006.