大型球鐵水表殼加工工裝設(shè)計與加工 *

陳太麗

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機械與智能制造學(xué)院，福建 福州 350007)

0 引 言

大型水表主要用于計量流經(jīng)自來水管道中水的總量，常用于住宅小區(qū)的總管道的自來水總量計量。大型水表主要結(jié)構(gòu)有球鐵表殼、機芯、表蓋組成。由于市場體量大，在加工大型球鐵水表殼的工藝上，需要專用的數(shù)控機床配合專用的夾具進行生產(chǎn)。筆者通過分析WS150大型球鐵表殼的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及加工工藝特點，設(shè)計了專業(yè)的工裝配合專用數(shù)控機床加工，達到了一次裝夾工件，同時加工水表殼的三端加工位置，解決了傳統(tǒng)工藝的多次裝夾多工序多道加工的工藝問題，達到一次裝夾多工序同時加工的高效目的。

1 水表殼結(jié)構(gòu)的分析

圖1為大口徑水表WS-150的表殼模型圖。該表殼采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)。消失模鑄造是泡沫塑料模采用無粘結(jié)干砂結(jié)合抽真空技術(shù)的實型鑄造，被認為是二十一世紀最可能實現(xiàn)綠色鑄造的工藝技術(shù)[1-2]。消失模鑄造工藝可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、表面粗造度低、機械加工余量少的鑄件，具有金屬液利用率高、環(huán)境污染小、無需取模等特點，是一項很有發(fā)展前景的近凈成形加工技術(shù)和清潔生產(chǎn)技術(shù)[3-4]。由于采用消失模主要工藝，表殼的生產(chǎn)只在表殼的兩個法蘭連接面及機芯安裝配合面處留有1.5 mm的加工余量，其余曲面結(jié)構(gòu)均一次性鑄出。鑄件余量如圖2所示。

圖1 WS150水表殼產(chǎn)品圖 圖2 WS150水表殼鑄件效果圖

2 加工工藝的確定

水表殼的兩個法蘭面與機芯口處均為回轉(zhuǎn)體，傳統(tǒng)加工工藝上選用車床配合工裝夾具加工。但是選擇普通車床加工該產(chǎn)品則需要有三次裝夾的產(chǎn)生，效率低，勞動強度大，加工過程重復(fù)定位精度差。分析表殼結(jié)構(gòu)，三個加工面的中心均在一個平面上，為提高加工效率，選用數(shù)控專業(yè)組合機床加工表殼，可達到一次裝夾，三軸同時加工以達到效率提高的目的。

2.1 專用數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式

專用數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式有三個數(shù)控銑削頭組成，將原有的工件轉(zhuǎn)動，車刀車削，轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ潭?，車刀旋轉(zhuǎn)銑削的方式，以達到一次裝夾三軸同時加工的目的。由于表殼的結(jié)構(gòu)特點，兩端進出水口的法蘭面為同心圓，其中心高在同一高度，機芯的安裝孔的高度與兩法蘭面的高度同高。專用數(shù)控機床每個銑削軸均有X、Z兩個方向上的運動，各個軸都有一個系統(tǒng)控制其進給與轉(zhuǎn)速，每個軸的導(dǎo)軌移動通過數(shù)控系統(tǒng)給的脈沖信號自行移動，以達到加工尺寸精度目的。數(shù)控專機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 專用數(shù)控機床結(jié)構(gòu)原理圖1.主軸1 2.主軸2 3.主軸3 4.工件安裝座 5.機床底座

2.2 工裝的安裝位置

表殼則安裝在專用夾具上，夾具安裝在機床加工平臺上，機床的加工平臺中心點位置為三個加工軸的中心線交點并設(shè)有定位孔，以方便工裝的安裝與工件找正。工件的夾緊采用液壓缸自上向下壓緊的方式緊壓在加工平臺上，采用液壓壓緊的方式優(yōu)點在于壓緊力大，壓緊速度快，加工過程穩(wěn)定。

2.3 工裝的設(shè)計

工裝的設(shè)計需要具備足夠的強度與剛性，夾持可靠性強，操作簡便，良好的工藝性等特點。水表殼的工裝主要由底板、底座、上壓蓋板組成。如圖4。

圖4 工裝裝配效果圖

底板與工作臺通過定位銷定位，保證了工裝在機床上的位置。采用U型口通過螺栓固定的機床的底座上，由于加工存在誤差，需要設(shè)計高度調(diào)節(jié)功能，在底板的四個角位置設(shè)計有高度調(diào)節(jié)螺紋孔，在安裝工裝過程中，可根據(jù)工裝與機床的中心差調(diào)整螺栓訂出的高度，以達到工裝與機床高度同高的目的。底板設(shè)計如圖5。

工裝底座與底板的連接采用4個高度塊的連接，在高度墊塊的加工共過程中，為保證高度尺寸的一致性，4個高度塊在經(jīng)銑床加工完整后，須同時在磨床上加工，保證其高度一致。

工裝的底座根據(jù)表殼的曲面外形進行設(shè)計，由于才用消失模鑄造工藝進行生產(chǎn)，鑄件的外形尺寸一直性良好，可采用表殼曲面位置定及大口的細節(jié)特征進行定位。由于表殼的外形是不需要加工的，為了保證表殼表面的完好性，在底座的安裝位置上，不易與表殼的接觸面過大，但是考慮到表殼的安裝穩(wěn)定上，夾位必須足夠大，鑒于以上兩點的要求，設(shè)計了如圖6的工裝底座。

圖5 工裝底板設(shè)計效果圖 圖6 工裝底座圖

蓋板的設(shè)計上與底座設(shè)計的思路一致，為使工裝輕量化，便于工人操作，在蓋板的設(shè)計上厚度設(shè)計在16 mm，保證蓋板質(zhì)量的同時也能保證其有足夠強度，可以在加工過程中壓緊表殼，使加工能夠平穩(wěn)的進行。

3 底座與蓋板的數(shù)控加工

底座和蓋板的加工精度決定了表殼在工裝上夾持的進度，以及夾持穩(wěn)定性。底座和蓋板與表殼的接觸面均為曲面，在加工上需要選擇數(shù)控加工中心進行加工，以保證曲面的精度。將設(shè)計好的工裝三維模型導(dǎo)入刀UG軟件編程模塊中，按照加工工藝的要求，選擇合適的銑削刀路方法，編輯刀路軌跡，再將編好的刀路軌跡轉(zhuǎn)換為G代碼，傳輸?shù)綑C床進行加工。

底座和蓋板的毛坯材料選用HT150牌號球鐵，利用消失模鑄造工藝鑄出底座和蓋板的近似形狀，加工余量為3 mm，這樣可以避免使用型材進行加工時出現(xiàn)的加工余量大的缺點。由于是才用消失模鑄造工藝，工裝的加工余量少，加工效率高。

底座的加工工藝路線為：①底座基準面加工，以毛坯面作為粗基準，加工出底座的基準面；②底座的四周面輪廓加工，加工出底座的周圍四個豎直表面；③底座反面裝夾加工總體高度，以加工好的基準底面進行反面裝夾，加工出底座的總體高度，保證高度尺寸；④底座粗加工，將底座曲面位置的大部分余量銑削完整，曲面余量留0.2 mm進行后續(xù)的精加工；⑤半精加工底座曲面，采用D12 mm的銑刀半精加工曲面位置；⑥底座曲面精加工，使用R6球刀精加工底座曲面；⑦螺紋孔的加工，采用直徑10.5 mm的鉆頭進行螺紋底孔的加工；⑧螺紋加工，采用M12機工絲錐進行螺紋加工；⑨倒角去毛刺，采用倒角刀進行輪廓倒角。編程刀路軌跡如圖7所示，加工工藝如表1所列。

圖7 工裝底座刀路軌跡圖

表1 底座加工工藝

蓋板的加工工藝路線為：①蓋板基準面銑削；②蓋板粗加工銑削；③蓋板接觸曲面半精加工；④蓋板曲面精加工；⑤倒角加工。編程刀路軌跡如圖8所示，加工工藝如表2所列。

將設(shè)計好的工裝領(lǐng)零件圖，經(jīng)普通銑床加工、鉆孔攻牙、數(shù)控銑床等工序加工后，進行裝配，加工出的底座及工裝在機床上的安裝使用如圖9所示。

圖8 蓋板刀路軌跡圖

表2 底座加工工藝

圖9 工裝加工成品及使用效果圖

4 結(jié) 論

通過對大型球鐵表殼的加工工裝設(shè)計及安裝使用過程，得出以下幾點總結(jié)。

(1) 工裝在安裝過程中，由于在底板設(shè)計了定位銷孔及底部的調(diào)整螺栓設(shè)計功能，在工裝的安裝調(diào)試過程找正工件方便實用。

(2) 工裝的使用過程中，由于鑄件采用了消失模鑄造工藝，產(chǎn)品的外觀尺寸一致性較好，及工裝底座及蓋板使用了數(shù)控銑床加工，在工件的夾持效果方面良好，工裝與工件的表面貼合度非常好。保證了加工的可需持續(xù)性。

(3) 工裝的缺點，工裝的缺點在于底座于底板之間的連接采用的是墊塊及螺栓的連接，在強度性能上較為薄弱，在余量較多出易產(chǎn)生震刀紋的現(xiàn)象。這在以后的設(shè)計中需要改善。