薄壁零件數(shù)控加工工裝夾具研究

張紅娟 趙典威 韓宛斌 王聃

摘要：本文對鋁合金薄壁零件數(shù)控加工工裝夾具進行了分析和研究。通過分析零件數(shù)控加工特征和加工要求，設計制造了殼體和滑塊組合工裝，并對定位和夾緊裝置進行了改進。通過使用殼體和滑塊組合工裝、新的定位和夾緊裝置，使模塊在該工序的一次合格率由94%提升到100%，生產(chǎn)準備時間由20min縮短至5min，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率明顯提升。

Abstract： In this paper，the aluminum alloy thin-walled parts CNC machining fixture is analyzed and studied.By analyzing the characteristics and requirements of NC machining，the combined tooling of shell and slider is designed and manufactured，and the fixture positioning and clamping device are improved.Through the use of shell and slider combined tooling，new positioning and clamping device，the first pass rate of the module in this process is increased from 94% to 100%，the production preparation time is shortened from 20 minutes to 5 minutes，and the product quality and production efficiency are significantly improved.

關鍵詞：鋁合金;數(shù)控加工;工裝夾具

Key words： aluminum alloy;NC machining;fixture

中圖分類號：TG547? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0050-02

0? 引言

機載電子設備中的液冷模塊壁厚薄，焊接后數(shù)控加工要求精度高，常規(guī)立式加工中心精加工模塊側面時，零件的真空釬焊、液冷流道的壁厚及零件內(nèi)腔等復雜特征均已完成，零件的加工成本已經(jīng)比較高。加工零件側面的臺階面和螺紋孔時，因受零件結構，加工位置和設備加工能力限制，導致零件數(shù)控加工效率低、合格率低，該零件側面特征的數(shù)控加工效率和合格率急需提升。本文對該零件數(shù)控加工工裝和裝夾方式進行研究，通過設計制作工裝和改進裝夾方式，使零件側面特征的數(shù)控加工效率和合格率明顯提升[1]。

1? 薄壁零件數(shù)控加工內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

某類液冷模塊采用6061鋁合金進行加工，該模塊在真空釬焊后，需要數(shù)控進行精加工，精加工內(nèi)容包括：精銑外形輪廓、液冷通道壁厚、殼體內(nèi)部凸臺、凹池等特征、側面臺階面和螺紋孔。在加工模塊側面臺階面和螺紋孔時，零件的真空釬焊，精加工外形輪廓、液冷流道的壁厚及內(nèi)腔等復雜特征均已完成，并且液冷流道壁厚僅0.8mm。液冷模塊側面臺階和螺紋孔圖紙要求精銑后臺階面與零件端面平行度0.1，與零件側面垂直度0.1，表面粗糙度1.6，銑削加工的兩個螺紋孔中心線與模塊側面對稱度0.05，加工精度要求高，具體要求見圖1。

該類模塊在立式加工中心上加工零件側面臺階面和銑削M8螺紋孔時，需要將零件緊貼彎板，用墊塊和壓板將零件垂直裝夾在工作臺上，裝夾方式見圖2。該種裝夾方式在現(xiàn)有條件下進行，不需要制作工裝夾具，整個生產(chǎn)過程中，可省去設計制作工裝夾具的各種成本，在試生產(chǎn)初期可以采用。采用該種裝夾方式，在加工零件側面臺階面和螺紋孔時，壓板夾緊力的作用點及夾緊力的大小，墊塊的放置位置、墊塊的尺寸等諸多因素都會直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量;且該種裝夾方式使模塊受力不均勻，加工的穩(wěn)定性差，緊固力的大小不易控制，夾緊力稍小可能導致銑削過程中工件發(fā)生位移，夾緊力過大會壓傷內(nèi)壁（因內(nèi)壁到通道之間的壁厚只有0.8mm）， 裝夾過程使用力矩扳手也無法從根本上解決此問題[4]。整個裝夾調(diào)整過程對操作者要求較高，可重復性差。為此，不借助專用工裝的裝夾方式在保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率方面有明顯不足。

2? 數(shù)控加工工裝設計[3]

該類液冷模塊共7種，屬于多種類、小批量生產(chǎn)，每種模塊內(nèi)腔凸臺特征不同，為滿足多種模塊加工需要，經(jīng)過分析和研究，將該工序的加工工裝分為殼體和滑塊兩部分[5]。為了滿足多種模塊均可使用該工裝，將工裝殼體內(nèi)腔設計成與所有液冷模塊內(nèi)腔可以配合的通過結構，即將7種液冷模塊內(nèi)腔所有有凸臺的部位在工裝殼體上加工成凹池，同時根據(jù)凹池特征，設計出各種形狀的滑塊。在選用工裝的時候，根據(jù)液冷模塊內(nèi)腔特征，將工裝殼體和滑塊組合，保證工裝殼體和滑塊組合后，工裝可以和加工的液冷模塊緊密貼合。工裝殼體模型見圖3，模塊和工裝配合后狀態(tài)見圖4。

3? 數(shù)控加工工裝生產(chǎn)制造

根據(jù)工裝殼體結構和現(xiàn)有材料工藝，工裝殼體選用45號鋼，精加工前先銑削熱處理毛坯件，每個銑削面預留約1.5mm余量，粗加工完后對毛坯件進行熱處理，熱處理在鑒定合格且在有效期內(nèi)的真空熱處理爐內(nèi)進行，爐溫均勻性要求：±5℃;熱處理參數(shù)為：淬火820～850℃，保溫：40～60分鐘;回火480～520℃，保溫：2小時;熱處理后硬度值為：HRC25～30。經(jīng)過熱處理后，毛坯按照工裝圖紙進行精加工，最后對工裝表面進行鍍鋅，鍍鋅后工裝殼體表面為銀白色[2]。

為了便于工裝滑塊和工裝殼體組合，工裝滑塊選用釹鐵硼磁鐵進行加工，加工完對滑塊表面進行鍍鋅，鍍鋅后工裝滑塊表面為銀白色。

4? 數(shù)控加工夾具改進[6]

改進前，液冷模塊在該工序采用墊塊和壓板將模塊和彎板進行裝夾，該種裝夾方式為點受力，受力不均勻，易造成零件在加工過程中移位，致使加工超差。并且改進前零件在工作臺上的定位通過數(shù)控打表進行調(diào)整，效率低且受限于操作者的經(jīng)驗，可重復性差，易出錯。為此對零件在工作臺上的定位和裝夾方式進行了改進，根據(jù)模塊加工時裝夾的彎板規(guī)格和特征，在彎板一端加了定位銷，對模塊進行定位;同時，選用合適的方管，在方管兩端加工孔，用螺栓加螺母將彎板、模塊、工裝和方管裝夾在一起，裝夾示意圖見圖5。

改進后將通過打表調(diào)整基準的方式變?yōu)橥ㄟ^定位銷定位，操作簡便，不易出錯;新的夾緊裝置使模塊由原來的點受力變成了面受力，很好的解決了工件因受銑削力大容易產(chǎn)生位移的問題，并且新的裝夾方式簡單便捷，對操作者的經(jīng)驗依賴少，利于操作，可重復性好，減少了裝夾時間，提升了加工效率。

5? 工裝夾具使用效果驗證

截止統(tǒng)計時間，使用新工裝夾具共加工液冷模塊758塊，未出現(xiàn)一次因裝夾原因和力矩大小使用不當導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。在使用新工裝夾具前，因該工步加工不合格導致的產(chǎn)品代用或報廢的比例約為6%，合計758×6%=45.48，每個模塊從下料到加工到該工步，成本在1萬左右，使用該工裝夾具間接減少經(jīng)濟損失超過40萬元。

新工裝夾具簡化了產(chǎn)品的裝夾難度，大大降低了模塊加工過程中的裝夾調(diào)整時間，使裝夾調(diào)整時間由原先的20min/件縮短至目前的5min/件，每個工件節(jié)約15min，758塊共節(jié)約11370min，合計189.5小時，創(chuàng)造的價值約189.5×100=18950元。根據(jù)現(xiàn)有計劃，該類模塊的接下來的投產(chǎn)超過2000塊模塊，可預測該工裝夾具的使用會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟價值和不小的產(chǎn)能釋放。

6? 結論

①殼體和滑塊組合的工裝模式能較好的解決同類產(chǎn)品，但結構有細微差異的工裝設計使用問題;②數(shù)控加工過程合理使用工裝夾具，能明顯提升產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。

參考文獻：

[1]鄭淑琴，李金龍，章小紅.數(shù)控機床加工薄壁螺紋管工裝夾具的設計[J].機械制造，2019，57（3）：35-37.

[2]HB5035-1992，鋅鍍層質(zhì)量檢驗[S].

[3]巫志華.數(shù)控銑床工裝夾具設計與優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2017，5：59-60.

[4]宋杰.用于太陽輪軸加工的新工裝夾具[J].機械制造，2019，57（1）：66-68.

[5]周莉.工裝夾具對多品種小批量零件加工的作用分析[J].中國設備工程，2017，12：202-203.

[6]楊洋，等.工裝夾具在航天零件機械加工中的應用[J].機械制造，2018，12：95-97.