工藝夾具畢業(yè)設(shè)計(jì)25某雷達(dá)關(guān)鍵件的加工工藝分析與夾具設(shè)計(jì)_蔣立正

2012 年 7 月第 40 卷 第 14 期機(jī)床與液壓MACHINE TOOL HYDRAULICSJul 2012Vol. 40 No. 14DOI: 103969/j. issn. 1001 3881. 2012. 14. 010收稿日期 : 2011 05 16作者簡(jiǎn)介 : 蔣立正 ( 1979) ， 男 ， 工程師 ， 主要研究方向?yàn)楣ぱb模具設(shè)計(jì) 、產(chǎn)品質(zhì)量 控 制 。E mail: jlizheng126. com。某雷達(dá)關(guān)鍵件的加工工藝分析與夾具設(shè)計(jì)蔣立正1， 張苗2， 張偉1( 1. 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程分院 ， 浙江杭州 310053;2. 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 ， 浙江杭州 310014)摘要 : 分析某雷達(dá)關(guān)鍵件 支臂零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ， 制定支臂的加工工藝流程 ， 并進(jìn)行相應(yīng)的液壓夾具設(shè)計(jì) 。實(shí)踐證明 : 采用該專用夾具可使該零件的加工時(shí)間縮短 50%以上 ， 加工質(zhì)量和加工精度明顯提高 ， 增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力 。關(guān)鍵詞 : 雷達(dá)關(guān)鍵件 ; 工藝分析 ; 夾具設(shè)計(jì) ; 數(shù)控加工中圖分類號(hào) : TH659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : B 文章編號(hào) : 1001 3881 ( 2012) 14 029 4Machining Technology Analysis and Clamp Design for CriticalComponent of RadarJIANG Lizheng1， ZHANG Miao2， ZHANG Wei1( 1. College of Mechanical Engineering， Zhejiang Institute of Mechanical Electronical Engineering，Hangzhou Zhejiang 310053， China;2. College of Mechanical Engineering， Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310014， China)Abstract: The machining process of critical component ( named arm part) was set down through analyzing its structure charac-teristics The clamp was designed according to its process Practice has proved that the time cost on machining is decreased by 50% atleast， and the machining quality and precision are improved So the enterprises competitive ability is improvedKeywords: Critical component of radar; Process analysis; Clamp design; CNC現(xiàn)代雷達(dá)功能強(qiáng)大 ， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 一致性和精度要求高 ， 使制造難度越來越大 。XX 雷達(dá)中的平板天線 、波導(dǎo)腔 、機(jī)座 、T/R 組件殼體等復(fù)雜精密零件 ，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜 、剛性較差 ， 加工精度要求較高 ， 在加工過程中因受到切削力 、夾緊力 、溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的影響極易產(chǎn)生變形 ， 影響加工精度 1 2。某支臂零件為該型號(hào)雷達(dá)的關(guān)鍵零部件 ， 其形狀獨(dú)特 ， 加工要素種類繁多 ， 有平面 、曲面 、孔和軸等 ， 且曲面的曲率變化大 ， 加工難度較高 。同時(shí) ， 針對(duì)該零件加工時(shí)間長(zhǎng) 、質(zhì)量一致性差及廢品率高等特點(diǎn) ， 如何高效 、高質(zhì)量地完成該零件的加工 ， 除了必須具備先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備之外 ， 還必須確定優(yōu)化的加工工藝方案 3。文中分析了該支臂零件的結(jié)構(gòu)及尺寸特點(diǎn) ， 結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備制定了支臂加工的工藝規(guī)程 ， 并進(jìn)行了相應(yīng)的夾具設(shè)計(jì) 。實(shí)踐證明 : 通過優(yōu)化工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì) ， 支臂零件的加工質(zhì)量明顯改善 ， 生產(chǎn)效率明顯提高 。引入液壓夾具 4設(shè)計(jì)技術(shù) ， 使零件的裝夾次數(shù)大大減少 ， 加工精度得到保證 ， 為該型號(hào)裝備的研制生產(chǎn)提供了有力保障 。1 零件結(jié)構(gòu)分析與工藝規(guī)程編制支臂零件的產(chǎn)品圖樣如圖 1 所示 。零件材料為鑄鋁 ZL101A ( T6) ， 采用鑄造后機(jī)加工成型 。支臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 尺寸公差和形位公差要求高 ， 尤其空間尺寸多 ， 曲面的曲率變化大 。經(jīng)過工藝分析 ， 該零件須進(jìn)行粗加工 、半精加工及精加工工序 ， 普通數(shù)控機(jī)床難以保證加工精度 ， 被安排在五軸數(shù)控加工中心上完成 。在未進(jìn)行加工工藝優(yōu)化前 ， 為完成工件加工 ， 操作人員須借助通用夾具 、自制墊板多次裝夾工件 ， 且每次裝夾都需細(xì)心校調(diào) ， 裝夾時(shí)間長(zhǎng) ， 效率極低 ， 嚴(yán)重影響了加工進(jìn)度 。圖 1 支臂的零件圖 ( 產(chǎn)品圖樣 )由圖樣工藝結(jié)構(gòu)分析可知 : 工件可供定位裝夾的基準(zhǔn)平面很小且距離加工部位相對(duì)較遠(yuǎn) ， 定位裝夾存在較大困難 。為保證工件在定位裝夾 、加工過程中的精度要求 ， 工藝設(shè)計(jì)師在工藝設(shè)計(jì)時(shí)添加兩個(gè)工藝搭子 ( 見圖 2) 以增加工件的定位面積 ， 避免一端定位時(shí)工件發(fā)生傾斜 ， 同時(shí)在另一端增加輔助支撐和壓緊 ， 防止工件偏心產(chǎn)生振動(dòng) 。圖 2 增加工藝搭子后的支臂工藝簡(jiǎn)圖經(jīng)過工藝分析研究 ， 并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ， 制定出一套完整的加工工藝流程 ( 表 1) ， 設(shè)計(jì)制作了兩套專用液壓夾具 ， 有效保證了所加工工件的技術(shù)要求 。表 1 支臂的加工工藝流程工序號(hào) 工序名稱 工序內(nèi)容 工藝裝備1 鑄造 按圖紙要求 ( 添加工藝搭子的工藝簡(jiǎn)圖 ) 鑄造2 清砂 清砂處理3 熱處理 固溶處理加完全人工時(shí)效4 5 銑在專用夾具 1( 見圖 3( a) ) 上按定位夾緊方案 1 加工被加工面及定位孔 ( 見圖 4)加工中心專用夾具 16 鏜在專用夾具 2( 見圖 3( b) ) 上按定位夾緊方案 2 粗精鏜 4. 5沉孔 10、6 圓孔及 61 圓孔 ， 并精銑各加工面 ( 見圖 5)加工中心專用夾具 27 8 鉗 去毛刺 ， 清洗9 檢驗(yàn) 按圖紙及工藝要求檢查各部位尺寸和表面加工情況10 入庫(kù) 按圖紙及工藝要求裝箱 ， 并入庫(kù)03 機(jī)床與液壓 第 40 卷圖 3 支臂加工專用夾具圖 4 定位裝夾方案 1 ( 支臂加工工序 5)圖 5 定位裝夾方案 2 ( 支臂加工工序 6)2 工件定位夾緊方案的確定根據(jù)支臂零件的加工工藝流程 ， 確定完成工序 5的定位夾緊方案 ( 見圖 4) ， 該工序的加工要素為圖中的被加工面和被加工孔 。此道工序前已事先粗加工工件的 3 個(gè)定位面 ， 在進(jìn)行工序 5 時(shí)即可以對(duì)該定位面定位 ， 限制 6 個(gè)自由度 ， 實(shí)現(xiàn)工件的完全定位 。工件在裝夾過程中 ， 由于該工序的定位面較小且處在工件的一端 ， 需增大壓緊力防止定位點(diǎn)移動(dòng) ; 同時(shí) ， 工件的另一端須增加輔助支撐和壓緊點(diǎn) ， 以防止工件由于重心偏移產(chǎn)生不必要的傾斜和振動(dòng) 。為完成工序 6 的加工內(nèi)容 ， 可在工序 5 的基礎(chǔ)上 ， 以工件的 4 個(gè)臺(tái)面及 2 個(gè)銷孔定位 ， 限制工件的6 個(gè)自由度 ， 實(shí)現(xiàn)完全定位 ( 臺(tái)面限制 3 個(gè)自由度 ，2 個(gè)銷孔限制 3 個(gè)自由度 ) 。工序 6 的定位夾緊方案見圖 5?？梢钥闯?: 工序 5 完成后 ， 工序 6 的定位面面積加大 ， 使工件的穩(wěn)定性顯著增加 ， 壓緊點(diǎn)的選擇13第 14 期 蔣立正 等 : 某雷達(dá)關(guān)鍵件的加工工藝分析與夾具設(shè)計(jì)與工件的支撐面相對(duì)應(yīng) ， 保證了工件完全貼緊定位面 。3 夾具設(shè)計(jì)3. 1 夾具結(jié)構(gòu)的確定( 1) 專用夾具 1 的結(jié)構(gòu)如圖 3 ( a) 所示 ， 用來加工基準(zhǔn)臺(tái)面及定位孔 。夾具主要由基礎(chǔ)板 、定位元件 ( L 形定位板 、定位銷等 ) 、液壓元件 ( 旋轉(zhuǎn)油缸 、浮動(dòng)支撐油缸 、順序閥等 ) 等組成 。工件安裝板底面與 L 形定位板工作面貼合 ， 3 個(gè)定位銷與另兩側(cè)面靠邊定位 ， 此時(shí)工件的被加工面處于水平位置 、被加工定位孔軸線處于垂直位置 ， 有利于銑削加工 。工件按圖 3 所示位置裝入后 ， 安裝板一端的旋轉(zhuǎn)油缸旋轉(zhuǎn)壓緊工件 ， 另一端的兩浮動(dòng)支撐油缸頂起成為固定支撐 ， 對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)油缸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓緊工件 ， 以減小加工工件前端時(shí)的振動(dòng)及變形 。( 2) 專用夾具 2 的結(jié)構(gòu)如圖 3 ( b) 所示 ， 用來加工工件安裝板一端的被加工平面 ， 工件另一端的被加工曲面 、臺(tái)階及圓孔 。夾具主要由基礎(chǔ)板 、方箱 、定位元件 ( 定位銷 、定位座等 ) 、液壓元件 ( 旋轉(zhuǎn)油缸 、浮動(dòng)支撐油缸 、順序閥等 ) 等組成 。工件以工序 5 的被加工面與定位座的工作面貼合 ， 兩定位銷插入定位孔中 ， 此時(shí)工件的 6 孔的軸線 、61 孔的軸線 、4 4. 5沉孔的軸線都處于水平位置 ， 有利于鏜削加工 ; 工件安裝板被加工面的大部分處于水平 、豎直位置 ， 更有利于銑削加工 ; 工件上各被加工要素之間的幾何公差 ， 在該位置利于加工及測(cè)量 。工件按圖3 所示位置裝入后 ， 上下旋轉(zhuǎn)油缸壓緊工件 ， 工件另一端的兩浮動(dòng)支撐油缸頂起成為固定支撐 ， 可以減小加工工件前端時(shí)的振動(dòng)及變形 。3. 2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限于篇幅 ， 下面僅給出專用夾具 1 的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 。液壓系統(tǒng)以機(jī)床泵站作為動(dòng)力源 ， 在工件加工過程中 ， 泵站與夾具保持連接 ， 可避免在加工過程中由于夾具密封問題產(chǎn)生的壓力損失 ， 夾具上無需附加保壓元件 。主壓緊的壓緊位置靠近加工位置 ， 位于工件的安裝板一側(cè) ， 選用夾緊力較大的旋轉(zhuǎn)油缸 。輔助支撐和壓緊選擇較小的旋轉(zhuǎn)油缸和浮動(dòng)支撐油缸 ，防止工件在定位時(shí)的傾斜和在加工過程中的顫動(dòng) 。根據(jù)夾具的動(dòng)作要求 ， 確定各個(gè)液壓元件的動(dòng)作順序 :主壓緊處大旋轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作 浮動(dòng)支撐油缸動(dòng)作 輔助壓緊處小旋轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作 工藝搭子下方浮動(dòng)支撐油缸動(dòng)作 ?；诖?， 選用 3 個(gè)順序閥來實(shí)現(xiàn)以上的動(dòng)作順序 。圖 6 給出了專用夾具 1 的液壓原理圖 。圖 6 專用夾具 1 ( 支臂加工工序 6) 液壓原理圖假設(shè)加工過程機(jī)床泵站提供的壓力為 20 MPa，可確定液壓缸的壓力為 :主壓緊油缸壓力 F1=200 2. 52 9. 8( 預(yù)選油缸作用面積 ) =4 939. 2 N輔助 壓 緊 油 缸 壓 力 F2= 200 1. 56 9. 8 =3 057. 6 N浮動(dòng)支撐油缸 ( 非靠近工件安裝板的一端 ) 的支撐力 F31. 5F2=4 586. 4 N4 使用效果及特點(diǎn)液壓夾具使支臂零件的剛性大為提高 ， 定位精度得到保證 。針對(duì)無法為工件設(shè)定剛性支撐的特點(diǎn) ， 選擇輔助浮動(dòng)支撐油缸作為支承 ， 同時(shí)轉(zhuǎn)角油缸與浮動(dòng)支撐油缸的組合保證了工件不變形 。由于夾緊力在定位和夾緊過程中保持恒定不變 ， 確保同一工序下加工質(zhì)量的一致性 ， 這對(duì)復(fù)雜精密 、薄壁特征居多的雷達(dá)關(guān)鍵零部件加工 ， 具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義 。經(jīng)過加工測(cè)試 ， 專用夾具在實(shí)際生產(chǎn)中 ， 使工件的裝夾效率明顯提高 ， 同時(shí)加工精度得到了保證 。在前期采用通用夾具裝夾工件時(shí) ， 同一批工件加工至少要重新找正 3 4 次 。由于工件剛性不好 ， 切削力不能過大 ， 需多次分層加工 。該夾具投入使用后 ， 未出現(xiàn)刀具與夾具的干涉現(xiàn)象 ， 加工參數(shù)如切削量 、進(jìn)給量均可正常設(shè)置 ， 加工時(shí)間比之前同類型的工件縮短了 50%以上 。經(jīng)測(cè)量與裝配 ， 支臂零件的加工精度完全符合要求 ， 保證了產(chǎn)品質(zhì)量 ， 極大地提高了數(shù)控機(jī)床的使用效率和加工效率 ， 解決了此類復(fù)雜精密零件的加工難題 。( 下轉(zhuǎn)第 50 頁(yè) )23 機(jī)床與液壓 第 40 卷2 外橢圓輪廓的宏程序加工編程宏程序可以使用戶對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行一定的功能擴(kuò)展 ， 允許使用變量 、賦值 、循環(huán) 、嵌套結(jié)構(gòu)等 ， 可以將有規(guī)律的形狀或尺寸用最短的程序段表示出來 ， 具有極好的易讀性和易修改性 ， 并且編寫出的程序簡(jiǎn)介 、邏輯嚴(yán)密 、具有極強(qiáng)的通用性 ， 因而得到了廣泛的應(yīng)用 。作者以式 ( 1) 所描述的工件外輪廓為例 ，在 FANUC 0i 系統(tǒng)下編寫橢圓內(nèi)輪廓加工的宏程序如下 :程序 :O0001 /主程序號(hào)#1 = ( A) /橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng) ( 對(duì)應(yīng) X 軸 ) ;#2 = ( B) /橢圓短半軸長(zhǎng) ( 對(duì)應(yīng) Y 軸 ) ;#3 = ( C) /橢圓長(zhǎng)半軸與水平線夾角 ;#4 = ( dZ) /dz 設(shè)為自變量 ， 賦初始值為 dZ;#11 = ( H) /橢圓輪廓深度 ( 絕對(duì)值 ) ;#7 = ( D) /角度為自變量 ， 初始值為 90#8 = ( E) /角度 #7 的遞增量#9 = ( F) /進(jìn)給速度 F#13 = ( M) /刀具的半徑補(bǔ)償值#17 = ( dZ) /自變量 #4 的遞增量#24 = ( X) /橢圓中心 X 坐標(biāo)#25 = ( Y) /橢圓中心 Y 坐標(biāo)S1000 M03G54 G90 G00 G40 X0 Y0 Z30G68 X0 Y0 R#3WHILE #4LE#11 DO 1Z2G01 Z-#4 F300#7 =90WHILE #7LE460 DO 2#5 = #1* COS #7+ #13* #2* COS #7 /SQRT #1* COS #7* #1* COS #7 + #2* SIN #7 *#2* SIN #7#6 = #2* SIN #7+ #13* #1* COS #7 /SQRT #1* COS #7* #1* COS #7 + #2* SIN #7 *#2* SIN #7G41 D01 G01 X#5 Y#6 F600#7 = #7 + #8END 2G00 Z30G40 X0 Y0#4 = #4 + #17END 1G69M30橢圓內(nèi)輪廓加工示意圖見圖 2。圖 2 橢圓內(nèi)輪廓加工示意圖此例中以直線 G01 來逼近等距線軌跡 ， 角度增量越小 ， 則輪廓越接近理論曲線 。3 結(jié)論通過工件的外輪廓方程 ， 給出橢圓的等距線方程 ， 證明