短軸大孔零件高效加工技術(shù)

■航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽(yáng) 441003） 金 鑫 姜忠平 金潤(rùn)一

近年來(lái)，機(jī)械行業(yè)發(fā)展較快，對(duì)設(shè)計(jì)、制造和管理的要求進(jìn)一步提高，相比之下，我公司某型產(chǎn)品重要件左支架的加工生產(chǎn)對(duì)整機(jī)裝配交付有一定影響，生產(chǎn)中在數(shù)控加工技術(shù)靈活運(yùn)用方面有待進(jìn)一步提高。

1. 左支架工藝特點(diǎn)

左支架（見(jiàn)圖1）作為彈射救生設(shè)備重要構(gòu)件，主要功能是支撐和引導(dǎo)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。零件材料為ZL201-T5，鑄造毛坯件，是由φ64mm管體、40°傾斜平板和凸臺(tái)等幾何體組成的異形零件。其工藝特點(diǎn)如下：

1）零件共91個(gè)設(shè)計(jì)尺寸，工藝路線長(zhǎng)，共75道工序。

2）普加工序均為粗加工或制單一基準(zhǔn)形面。

3）數(shù)銑工序共 73個(gè)尺寸，主要加工具有裝配關(guān)系的空間高精度尺寸。4道數(shù)銑工序分5個(gè)工步（見(jiàn)圖2）裝夾加工完成，準(zhǔn)備頻次多。

4）整個(gè)工藝過(guò)程各步驟用時(shí)如圖3所示。

圖1 左支架

由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試制和定型生產(chǎn)實(shí)踐，技術(shù)協(xié)調(diào)用時(shí)、首件檢驗(yàn)用時(shí)和裝夾找正用時(shí)（單件）占了很高的比例。加工一個(gè)零件，有1/3的時(shí)間用在了裝夾上，裝夾/加工用時(shí)比例在1/2甚至3/4。生產(chǎn)操作工步多、動(dòng)作頻次過(guò)高，說(shuō)明工作中還存在著制約生產(chǎn)、需要解決的問(wèn)題。

2. 加工難點(diǎn)分析

該零件加工難點(diǎn)如下：

1）工藝毛坯形態(tài)為異形組合體，凸臺(tái)、管體和耳片的組成結(jié)構(gòu)奇異，對(duì)定位方式和夾持力度極具挑戰(zhàn)性，操作難度較大。

2）零件材料的加工性能一般，材質(zhì)黏度較高，不適合高速切削。

3）前工序加工去除余量后，定位面均有不同程度變形，嚴(yán)重影響裝夾操作的可靠性，大大增加了空間尺寸的加工難度，造成質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)。

4）每件定位找正，輸入數(shù)據(jù)，勞動(dòng)強(qiáng)度高，在大批量生產(chǎn)中有誤操作。

圖2 加工工步

圖3 各步驟用時(shí)

5）工序多次裝夾加工過(guò)程中，雖然始終以φ64+0.074+0mm孔和40°＋30′-30′斜面定位，但由于零件變形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高、定位面支撐力不夠以及夾持力靠人工感覺(jué)等情況，造成操作者裝夾過(guò)程中要同時(shí)關(guān)注多點(diǎn)調(diào)配，即φ 64mm管腔與心軸軸線重合，40°斜面與定位點(diǎn)、面貼合，還要壓緊這個(gè)壓板，調(diào)整那個(gè)壓點(diǎn)和壓力，此時(shí)又發(fā)現(xiàn)定位面翹起、管腔偏移，如圖4所示。

3. 工藝分析

1）觀察零件的核心結(jié)構(gòu)孔，發(fā)現(xiàn)孔徑大且軸線長(zhǎng)度小于直徑，是孔系定位的難題，且孔端面與軸線呈非正交狀態(tài)，使得定位難度進(jìn)一步加大（見(jiàn)圖5）。

2）在各工序加工過(guò)程中始終以φ64+0.074+0mm孔和40°＋30′-30′斜面定位，心軸與孔為主配合面。當(dāng)為了方便裝夾而配合間隙稍大時(shí)，會(huì)發(fā)生管腔偏移、支撐力不夠的現(xiàn)象，如圖6a所示；當(dāng)為了裝夾穩(wěn)定，減小配合間隙而提高心軸精度時(shí)，零件放入因變形而極其困難，如圖6b所示。

4. 解決方案分析

圖4 裝夾

（1）圓錐膨脹方案 膨脹心軸是目前較為適合的解決方案，在脹緊孔徑的同時(shí)也繃直了軸線，一舉兩得。直圓錐軸起主體定心作用，膨脹簧沿圓錐軸推進(jìn)而膨脹，脹緊零件內(nèi)孔。但是進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，零件上部需加工貫穿方孔（見(jiàn)圖7），與定位孔相貫，必然切傷膨脹簧，致使其失去精度和定位作用。

圖5 孔與軸線的位置關(guān)系

圖6 裝夾示意

圖7 圓錐膨脹方案示意

（2）楔塊膨脹方案 根據(jù)零件定位孔的形態(tài)特點(diǎn)，可以確定膨脹方式定位較為合理、適用，如圖8所示。為后續(xù)加工穿透型方孔腔預(yù)留空間，增強(qiáng)主體剛性，穩(wěn)定楔塊。膨脹運(yùn)動(dòng)既脹緊孔徑，又繃直了軸線，一舉三得。40°斜面由4點(diǎn)可確定位置。

5. 楔塊膨脹方案的實(shí)施

1）針對(duì)定位孔的形態(tài)特點(diǎn)，制作具有自鎖功能的半圓楔塊膨脹方式夾具。設(shè)膨脹率Κ＝0.158，半徑膨脹量為ΔR，軸向推進(jìn)量為ΔL，則膨脹量計(jì)算公式為：ΔR＝ΔL×Κ，如圖9所示。

2）采用半圓楔塊膨脹方式夾具，集合工步三、四、五內(nèi)容對(duì)零件毛坯進(jìn)行試加工（見(jiàn)圖10）。選擇剛性較好的設(shè)備，A軸卡盤夾持柄部，以互鎖機(jī)構(gòu)鎖緊一爪傳遞A軸切削扭矩，心軸跳動(dòng)≤0.03mm。零件以簡(jiǎn)便、分步、可測(cè)量方式安置到位，緊固可靠后，以1/2原加工參數(shù)進(jìn)行試切削，觀察零件與夾具的組合體在切削過(guò)程中的情況，確認(rèn)緊實(shí)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)機(jī)床進(jìn)給倍率，提高加工效率。為避免基準(zhǔn)誤差和人工裝夾誤差等原因所產(chǎn)生的偏移，先期對(duì)敏感空間尺寸進(jìn)行粗加工（形面預(yù)留余量≥1mm），經(jīng)計(jì)量檢查合格后再進(jìn)行精加工。

圖8 楔塊膨脹方案示意

6. 加工效果

1）采用半圓楔塊膨脹方式夾具，集合3道工步內(nèi)容對(duì)D1701（72件）批次零件毛坯進(jìn)行生產(chǎn)加工，原3個(gè)工步改進(jìn)為1個(gè)工步、6個(gè)動(dòng)作完成，切削過(guò)程穩(wěn)定，夾具定位可靠，零件尺寸合格，質(zhì)量穩(wěn)定（見(jiàn)圖11）。

2）運(yùn)用創(chuàng)新夾具后，加工效率不斷提高（見(jiàn)圖12），總工步由5個(gè)改為3個(gè)，動(dòng)作頻次由45個(gè)改進(jìn)為16個(gè)，生產(chǎn)用時(shí)大幅度縮減，取得了良好的成效。

7. 綜合效益

（1）社會(huì)效益 ①降低了左支架零件在機(jī)時(shí)間，為完成其他大量的、必上加工中心的試制、批產(chǎn)零件提供了有利條件。②提高了瓶頸設(shè)備產(chǎn)出率，使相關(guān)技術(shù)人員開(kāi)拓了思路，以此類推，提高其他A軸零件的生產(chǎn)效率。③降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，使其能夠?qū)⒕ΑⅢw力放在觀察設(shè)備運(yùn)行、掌控零件質(zhì)量、提高操作效率以及優(yōu)化工作秩序等方面上來(lái)。④提高滿足客戶市場(chǎng)緊急需求的能力，有了不斷積累的技術(shù)方法，有了高效穩(wěn)定的操作方案，必然催生出響應(yīng)外在需求變化的快速反應(yīng)能力。⑤提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作、組織分工和學(xué)習(xí)傳承的能力，親身經(jīng)歷者其感受和各方面能力的變化是顯而易見(jiàn)的，更多的是相互之間的默契配合和鼓勵(lì)。

圖9 楔塊膨脹工作示意

圖10 工件的試加工

圖11 成品

圖12 工藝改進(jìn)前后各步驟用時(shí)對(duì)比

（2）創(chuàng)新技術(shù)的推廣 作為公司的拳頭產(chǎn)品，該型航空救生防護(hù)產(chǎn)品未來(lái)十年必有較大發(fā)展，各種改型必然不斷涌現(xiàn)，而其核心的機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定的性能只會(huì)更好、更完善。對(duì)稱件右支架（見(jiàn)圖13）結(jié)構(gòu)相似，通過(guò)運(yùn)用、改進(jìn)此裝夾方式（見(jiàn)圖14），也取得了大幅提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的效果。

圖13 右支架

（3）應(yīng)用前景分析 該型膨脹自鎖心軸還可以改型成兩向、三向、四向及多向可調(diào)式膨脹心軸，膨脹楔塊可以依據(jù)實(shí)際情況沿圓周方向不同角度安置。可用于具有與此案例相似的各產(chǎn)品孔型結(jié)構(gòu)的定位。例如，特種車輛、軍用和民用艦船、航空、航天、無(wú)人機(jī)車、無(wú)人艦艇及無(wú)人飛行器等行業(yè)相似異形零件較多，可以采用此方案。本技術(shù)方案已獲國(guó)家專利。

圖14 右支架夾具及裝夾