基于薄壁殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)形加強筋加工快換工裝設計與應用

亓 立，王文君

（1.山西工程職業(yè)學院，山西 太原 030027；2.山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030027）

水下裝備試驗件存在諸多不同型號的薄壁殼體或圓錐筒形零件，為增強圓筒強度，常設計有環(huán)形加強筋[1]。通常該類型結(jié)構(gòu)殼體壁較薄、長度大，在加工過程中及產(chǎn)品成型后，環(huán)形加強筋對于薄壁殼體整體強度以及剛度都起著至關重要的作用[2]。因此，環(huán)形加強筋也就成為各型薄壁殼體結(jié)構(gòu)中的重要零件之一[3]。針對環(huán)形加強筋需求數(shù)量大，形狀尺寸相對嚴格穩(wěn)定[4]，因此，需要設計一種快換工裝以能夠提高大批量環(huán)形加強筋的機加效率。

1 環(huán)形加強筋傳統(tǒng)加工工藝與技術(shù)問題

薄壁殼體結(jié)構(gòu)中，用到了大量環(huán)形加強筋[5]，其結(jié)構(gòu)見圖1，各組螺紋孔的定位基準為水平中心線，弧形流水槽的定位基準為豎直中心線。

根據(jù)產(chǎn)品設計要求，環(huán)形加強筋的機加工序包括以下3 個加工內(nèi)容：一是劃十字中心線；二是制內(nèi)圓四組徑向螺紋孔；三是制外圓R4 流水槽。傳統(tǒng)機加工藝中需要采取3 個工步分別進行加工，首先利用鋼板尺、直角尺配合劃針在工件端面劃十字中心線及徑向孔基準定位線，為后續(xù)制螺紋孔、流水槽留加工基準。下一工步中，將加強筋裝夾固定后，將制流水槽的樣板工裝放置在加強筋流水槽的實際位置并進行固定，根據(jù)工裝上的孔制流水槽成。最后，將加強筋固定在鉗工工作平臺上，工人根據(jù)螺紋孔基準線制螺紋底孔。由此可見，傳統(tǒng)加工工藝中工步較多，工件定位與找正繁瑣，加工工時耗費較多。同時在批量加工加強筋時，受人為因素影響大，容易產(chǎn)生定位偏差與尺寸超差。綜合來看，傳統(tǒng)工藝加工效率低，影響生產(chǎn)進度，對產(chǎn)品質(zhì)量的保證也存在一定不確定因素。如果使用數(shù)控鏜銑床加工環(huán)形加強筋，雖然可以在一個工步內(nèi)完成所有加工內(nèi)容，但由于加強筋加工數(shù)量眾多，在不采用提前劃線的前提下，定位與裝夾則需要花費大量的時間。結(jié)合目前企業(yè)車間的普遍生產(chǎn)能力來看，該加工工藝方案占據(jù)了數(shù)控機床大量加工時間，不僅降低了機床的使用效率，而且大幅度提高了加工成本。

2 環(huán)形加強筋快換工裝設計與應用

2.1 環(huán)形加強筋快換工裝結(jié)構(gòu)組成

基于傳統(tǒng)機加工藝與數(shù)控機床機加工藝均無法滿足降本、提質(zhì)、增效的生產(chǎn)要求，設計提出環(huán)形加強筋加工快換工裝。根據(jù)加強筋自身結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合加強筋在薄壁殼體中的裝配狀態(tài)，以環(huán)形加強筋一端面為平面定位基準，以內(nèi)圓作為徑向定位基準，設計得到的快換工裝的具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 環(huán)形加強筋快換工裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，工裝整體由一個主結(jié)構(gòu)、制孔模塊、劃線模塊以及流水槽加工模塊組成。壓板鎖緊孔5與螺釘配合，用于固定待加工加強筋；制孔鉆套3定位加強筋徑向孔的中心孔；劃線樣柱4 完成劃線過程；流水槽加工模由圖中6，7，8 三部分組成，用于完成環(huán)形加強筋流水槽的加工。

2.2 環(huán)形加強筋快換工裝操作步驟

1）快換工裝加工環(huán)形加強筋時，首先將加強筋準確放置于快換工作主結(jié)構(gòu)的限位槽中，主結(jié)構(gòu)內(nèi)表面可以為加強筋快速定位提供基準，確保加工基準準確可靠[2]。

2）找正后的加強筋四周通過4×M10 的螺釘配合四塊壓板鎖緊。

3）利用鋼板尺及工裝上的4 個劃線樣柱為基準在加強筋上劃十字中心線。

4）利用手電鉆及制孔鉆套制加強筋徑向孔的中心孔。

5）最后將制流水槽模塊插入控位槽中，該模塊一端靠緊劃線樣柱后，利用限位螺釘緊固該模塊，隨后用手電鉆通過模塊上的流水槽樣孔制流水槽即可。

由此可見，該類型工裝結(jié)構(gòu)設計可實現(xiàn)環(huán)形加強筋的一體成型，大大縮減了成型時間和工序。并且該類工裝可根據(jù)實際需要的不同型號的環(huán)形加強筋，設備組成不變，只需變換工裝主結(jié)構(gòu)尺寸及其他位置特征，就能批量高效制作出適應不同薄壁殼體的環(huán)形加強筋。

2.3 環(huán)形加強筋快換工裝設計創(chuàng)新點

1）新設計的加工加強筋多功能型裝置可以同時實現(xiàn)劃線、制螺紋孔、制流水槽3 個工步；操作簡便快捷，省時省力，加工效率大幅度提升。

2）新設計加工加強筋多功能型裝置定位精度高，其中定位包括：劃線時通過劃線樣柱定位；制螺紋底孔時，有專用鉆套，保證手電鉆制孔時的穩(wěn)定性及方向性；制流水槽時，通過劃線樣柱、限位螺釘高精度定位。通過該裝置加工后的孔、流水槽的尺寸及形位公差均滿足了產(chǎn)品圖紙要求，產(chǎn)品質(zhì)量有了大幅度的提升。

3）利用新設計多功能型裝置加工加強筋不僅效率高，而且可以節(jié)省加工成本，提高數(shù)控設備的使用效率。

2.4 環(huán)形加強筋快換工裝應用效果

選取120 件精車完的加強筋作為試驗件，平均分成3 組，且成品狀態(tài)一致，利用新設計的多功能型快換工裝、鉗工傳統(tǒng)工藝方法、數(shù)控設備分別對3 組試驗件進行加工，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同方法下加強筋加工成本及合格率

通過采用3 種不同加工方法加工相同數(shù)量的試件，結(jié)果表明：一是利用多功能型快換工裝及數(shù)控設備加工的工件均較鉗工通過傳統(tǒng)工藝加工的工件合格率有明顯的提高。二是利用多功能型快換工裝較利用數(shù)控設備加工工件，效率可提升2.5 倍；較鉗工通過傳統(tǒng)工藝加工工件，效率提升將近4 倍。三是利用多功能型快換工裝較利用數(shù)控設備加工工件，加工成本降低了5 倍；較鉗工通過傳統(tǒng)工藝加工工件，加工成本降低了2 倍。

3 結(jié)論

本裝置針對環(huán)形加強筋加工設計，能夠有效降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，簡化工藝步驟，提高機械化制造水平，節(jié)約生產(chǎn)過程造成的損耗，降低對環(huán)境造成的污染和對操作工人造成的傷害，質(zhì)量改進效果明顯。該裝置運用范圍廣，使用頻率高，對于同類型產(chǎn)品的加工能夠做到快速適應，推廣性好，具備一定的市場競爭力和推廣價值。