基于狀態(tài)變化的通用夾具系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

基于狀態(tài)變化的通用夾具系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)進(jìn)步對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了重大變化。為了對(duì)變化多端的市場(chǎng)作出敏捷的響應(yīng),縮短新產(chǎn)品試制時(shí)間,使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與生產(chǎn)批量無(wú)關(guān),高效率的、柔性定位與夾緊技術(shù)的研究與應(yīng)用正在成為國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一。1材料填充part技術(shù)夾具與機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展是同步的,大批量生產(chǎn)模式時(shí)期提出了專門化、自動(dòng)化夾具的要求,多品種、小批量生產(chǎn)模式則發(fā)展了組合夾具、成組專用夾具和柔性?shī)A具,隨著數(shù)控加工等高速自動(dòng)化設(shè)備的飛速發(fā)展,人們又致力于非傳統(tǒng)概念的高效率通用夾具安裝技術(shù)的研究與應(yīng)用?；跔顟B(tài)變化的裝夾(phasechangebasedfixturing,PCBF)技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的工件安裝技術(shù)。PCBF將工件放在箱體內(nèi),通過(guò)填料的注入和凝固夾緊工件。PCBF技術(shù)包括溫度感應(yīng)(temperatureinduced)和偽狀態(tài)變化(pseudophasechange)2個(gè)主要分支。溫度感應(yīng)技術(shù)通常采用低熔點(diǎn)的填充材料,包括熱塑性材料和易熔合金等。Boyes和Stangrom等采用電流變流體(electrorheological)作為溫度感應(yīng)狀態(tài)變化填充材料的替代品。但由于電流變流體在高壓下的拉伸強(qiáng)度低,而無(wú)法用于切削加工。基于偽狀態(tài)變化的夾具采用液化底座技術(shù)(fluidizedbedtechnique),通過(guò)使用球狀顆粒實(shí)現(xiàn)工件夾緊。遺憾的是,這些夾具技術(shù)不能很好地解決工件加工中的多次安裝問(wèn)題?；鶞?zhǔn)自由的零件密封技術(shù)(referencefreepartencapsulation,RFPE)是Sarma和Wright提出的一種安裝技術(shù)新概念,是PCBF技術(shù)的發(fā)展。采用RFPE夾具加工時(shí),當(dāng)需要進(jìn)行工序或安裝轉(zhuǎn)換時(shí),通過(guò)再一次的材料填充,恢復(fù)工件夾具系統(tǒng)的原有形狀,通過(guò)填充實(shí)體表面保留工件最初的位置信息,以作為新的安裝過(guò)程中工件定位的線索?；赗FPE技術(shù),筆者提出并研制了一種能夠快速尋位和狀態(tài)記憶(rapidlocationandstatememory,RL&SM)的通用夾具系統(tǒng)。2rlsm通用夾緊系統(tǒng)2.1工件/夾具的通過(guò)測(cè)量與檢測(cè),實(shí)現(xiàn)通過(guò)合理的定位與成RL&SM通用夾具系統(tǒng)采用規(guī)范化的板塊結(jié)構(gòu),構(gòu)成可拆卸的RL&SM箱體,作為通用夾具系統(tǒng)在機(jī)床上快速尋位的基準(zhǔn)和記憶工件初始安裝信息的實(shí)體模型;箱體的各個(gè)板塊上裝有可便利調(diào)節(jié)的工件尋位元件,其固定后的實(shí)際位置通過(guò)測(cè)量獲得,并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送入信息處理系統(tǒng);工件通過(guò)尋位元件確定其在箱體中的初始位置,預(yù)緊后注入低熔點(diǎn)合金凝固形成工件的初始安裝姿態(tài),使工件、填料和箱體形成一個(gè)整體——工件/夾具系統(tǒng);箱體通過(guò)其規(guī)則的外部表面、定向鍵和壓板機(jī)構(gòu),在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)快速定位與夾緊;當(dāng)需要進(jìn)行工序或安裝轉(zhuǎn)換時(shí),翻轉(zhuǎn)工件/夾具系統(tǒng),完成規(guī)則箱體在機(jī)床上的定位與夾緊。圖1為分離式雙箱結(jié)構(gòu)的RL&SM尋位箱,箱體的各塊板通過(guò)柱銷定位連接,上箱和下箱之間則通過(guò)鍵實(shí)現(xiàn)定位連接,以保證重復(fù)裝配時(shí)的效率和準(zhǔn)確性。2.2快速尋位系統(tǒng)圖2給出了RL&SM通用夾具系統(tǒng)的基本組成及其功能。該夾具系統(tǒng)由工件安裝系統(tǒng)、狀態(tài)成形系統(tǒng)、快速尋位系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)四大部分組成。工件安裝系統(tǒng)包括RL&SM箱體、工件尋位元件和預(yù)緊元件等,其主要功能是通過(guò)尋位元件和預(yù)緊元件實(shí)現(xiàn)工件在尋位箱體中的快速定位和預(yù)夾緊;狀態(tài)成形系統(tǒng)包括低溫加熱爐、低熔點(diǎn)合金填料和填料澆注工具等,其主要功能是在不同的工序或安裝過(guò)程中,通過(guò)填料澆注工具和填充材料,保持工件在箱體中的初始安裝姿態(tài)不發(fā)生改變(即記憶工件的初始安裝狀態(tài));快速尋位系統(tǒng)包括箱體尋位系統(tǒng)、尋位元件測(cè)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其中箱體尋位系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模擬機(jī)床安裝基準(zhǔn)的系統(tǒng),以測(cè)定尋位箱及其相關(guān)元件的位置,形成工件安裝狀態(tài)的計(jì)算模型;信息處理系統(tǒng)則由微機(jī)和信息處理軟件組成,信息處理軟件根據(jù)CAD、CAPP系統(tǒng)提供的零件設(shè)計(jì)與工藝要求及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的工件初始安裝位置信息(工件定位基準(zhǔn)和箱體定位基準(zhǔn)信息),綜合處理給出生成NC刀位文件所需要的位置參數(shù)。2.3工件/夾具的安裝采用RL&SM通用夾具系統(tǒng)的主要工作步驟如下:(1)根據(jù)工件形狀及其設(shè)計(jì)要求,選擇合適的RL&SM尋位箱,布置并安裝定位元件;(2)基于快速尋位系統(tǒng),確定定位元件(點(diǎn))相對(duì)箱體坐標(biāo)原點(diǎn)的位置,并將該信息輸出到信息處理系統(tǒng),以此確定即將安裝在尋位箱內(nèi)的工件初始位置;(3)根據(jù)零件設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程規(guī)劃要求和初始定位信息等生成NC代碼;(4)將工件放入尋位箱中主動(dòng)尋位(與定位元件接觸)并預(yù)緊,完成工件的安裝;(5)注入低熔點(diǎn)合金,填充尋位箱與工件間的空隙,凝固后形成工件/夾具系統(tǒng);(6)在機(jī)床上安裝箱體系統(tǒng),并將安裝信息輸入到信息處理系統(tǒng);(7)完成一次安裝或一道工序的加工,如果不需要進(jìn)行安裝或工序轉(zhuǎn)換,則轉(zhuǎn)(9);(8)補(bǔ)充注入低熔點(diǎn)合金,恢復(fù)(記憶)工件/夾具系統(tǒng)的初始狀態(tài),轉(zhuǎn)(6);(9)溶解填料,取出完成全部加工要求的零件。3rlsm安裝系統(tǒng)的開發(fā)要點(diǎn)(1)填料過(guò)厚的影響通常,可以通過(guò)增加尋位箱的品種與規(guī)格,滿足不同形狀規(guī)格的工件和不同安裝特點(diǎn)的工序要求,但這將增加尋位箱的設(shè)計(jì)、制造、管理費(fèi)用和周期。然而,減少箱體規(guī)格又必然使部分工件安裝出現(xiàn)填料過(guò)厚的問(wèn)題,它不但造成了填料的浪費(fèi),增加了不必要的填料加工,而且過(guò)厚的填料將引起額外的加工誤差。為了減少填料用量和對(duì)填料的切削加工,最大限度地控制尋位箱種類規(guī)格,筆者提出了可變?nèi)莘e的箱體結(jié)構(gòu),即允許箱體的容積按零件最小包圍盒尺寸作相應(yīng)變化的結(jié)構(gòu)。(2)在尋位箱及設(shè)備中的應(yīng)用為了使箱體在必要時(shí)方便地脫離固體狀態(tài)的填料,以便使刀具可以從不同方位面的不同位置順利地進(jìn)入安裝系統(tǒng)進(jìn)行切削加工,為了使尋位箱板塊拆卸后能準(zhǔn)確復(fù)位,將可制造性(DFM)、可拆裝性(DFA)和可重復(fù)利用性(DFR)等技術(shù)用于安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。例如,采用插件式定位組合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)分離箱體或箱體板塊的快速分離與組合;通過(guò)配合結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)任意板塊的自由組合;將可修復(fù)結(jié)構(gòu)用于易損組合構(gòu)件的設(shè)計(jì),以提高構(gòu)件的使用壽命等。(3)主要技術(shù)指標(biāo)的確定在安裝轉(zhuǎn)換中,安裝系統(tǒng)依靠尋位箱的基準(zhǔn)面和定向鍵實(shí)現(xiàn)在機(jī)床上的快速定位,因此相關(guān)表面的平面度、兩兩平面間的平行度或垂直度要求是安裝系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。采用40Cr或20CrMnTi或45鋼等作為箱體材料,并通過(guò)相應(yīng)的熱處理,保持箱體的耐磨性和精度穩(wěn)定性等性能。4工程應(yīng)用和分析在理論研究和實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,以機(jī)械手肘關(guān)節(jié)座、鞍形轉(zhuǎn)子和機(jī)加工葉片等零件為對(duì)象,開展了RL&SM通用夾具系統(tǒng)的工程應(yīng)用。(1)面。表面這是一個(gè)由非加工表面形成外部輪廓的零件,其加工特征分布在不同的方位面上,并具有相互位置精度要求。采用RL&SM通用夾具系統(tǒng),工件只需要安裝一次(不再需要工藝基準(zhǔn)),兩次安裝RL&SM箱體即可實(shí)現(xiàn)全部加工,圖3給出了采用RL&SM夾具系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械手肘關(guān)節(jié)座加工的工藝過(guò)程。(2)基于rl&sm通用夾具的成形工藝這是一個(gè)具有雙曲面外輪廓的高速回轉(zhuǎn)件(見圖4)。環(huán)壁薄、精度要求高,由于加工時(shí)易于產(chǎn)生變形,傳統(tǒng)生產(chǎn)中采用互為基準(zhǔn)、反復(fù)進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換加工成形的方法,不僅加工效率低,而且需要各種專用工裝,采用柱形的RL&SM通用夾具,通過(guò)填料增加了工件的剛性,避免了互為基準(zhǔn)反復(fù)加工的工藝過(guò)程,減少工序轉(zhuǎn)換次數(shù),提高切削效率,減少了專用工裝的花費(fèi),即設(shè)計(jì)、制造周期和成本等。(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析葉片(鋁制)是一個(gè)具有復(fù)雜曲面的小剛性零件(見圖5)。采用RL&SM通用夾具系統(tǒng)除了可以節(jié)省原材料,減少輔助加工和安裝轉(zhuǎn)換次數(shù),而且由于提高了工件支承剛度,切削用量可以大大提高,切削效率可提高3倍以上,并使加工質(zhì)量明顯得到改善,加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)比分析詳見文獻(xiàn)。5rl&sm通用夾具系統(tǒng)的工程應(yīng)用RL&SM通用夾具系統(tǒng)的研究與實(shí)踐已取得了重要進(jìn)展,其中包括RL&SM箱體的通用性,與夾具原始誤差無(wú)關(guān)的RL&SM箱體生成技術(shù),填料性能的研究與填料的研制,填料工藝及其參數(shù)的研究與控制等。工程驗(yàn)證和部分工程應(yīng)用結(jié)果表明,RL&SM通用夾