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一種加工懸空零件的積木式柔性工裝研究

隨著我國(guó)航空技術(shù)的快速發(fā)展，飛機(jī)研制周期越來(lái)越短，零件加工表面質(zhì)量要求越來(lái)越高。而航空機(jī)械加工零件中的大量數(shù)控懸空零件在加工過(guò)程中常出現(xiàn)彈刀銑傷零件的現(xiàn)象，容易造成零件超差或報(bào)廢，且零件出現(xiàn)彈刀現(xiàn)象后，需要經(jīng)鉗工打磨銼修來(lái)保證零件表面質(zhì)量，大大增加了制造成本。

針對(duì)上述問(wèn)題，常用解決方案為定制專用工裝來(lái)解決懸空零件的加工彈刀問(wèn)題；但飛機(jī)零件生產(chǎn)批量小，懸空零件只占機(jī)械加工零件中的極小部分，且零件結(jié)構(gòu)更改頻繁，采用該方法大大增加了數(shù)控懸空零件的制造成本。另外，飛機(jī)零件生產(chǎn)周期短，定制專用工裝需要一定的訂貨、設(shè)計(jì)和制造周期，不能滿足航空研制飛機(jī)快速生產(chǎn)的進(jìn)度要求和較高的表面質(zhì)量。

為滿足航空研制飛機(jī)零件生產(chǎn)批量小、構(gòu)型更改頻繁、生產(chǎn)周期短和加工質(zhì)量高等要求，某航空制造企業(yè)提出研制一套柔性工裝，用于解決航空研制飛機(jī)零件生產(chǎn)所面臨的問(wèn)題。柔性工裝在飛機(jī)裝配、鈑金零件切割加工等方面應(yīng)用較廣，但在結(jié)構(gòu)件加工中應(yīng)用較少，也無(wú)可用方案借鑒。

1 探索結(jié)構(gòu)件懸空零件加工的新方案

懸空零件為零件加工部位大面積的區(qū)域出現(xiàn)懸空現(xiàn)象的機(jī)械加工零件，且零件懸空區(qū)域加工厚度尺寸小、強(qiáng)度低等特征決定了零件加工中將發(fā)生彈刀現(xiàn)象。懸空結(jié)構(gòu)件示例如圖1所示。

圖1 懸空結(jié)構(gòu)件示例

為了保證懸空零件加工中不出現(xiàn)彈刀現(xiàn)象，既要保證支承上表面與零件下表面貼合，又要保證支承下表面與墊板貼合(見圖2)，這也是懸空機(jī)械加工零件工裝設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的問(wèn)題。合理解決了該問(wèn)題，就解決了懸空零件工裝設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖2 懸空零件簡(jiǎn)易工藝裝夾模型

1.1 支承不可調(diào)解決方案

在結(jié)構(gòu)件懸空零件加工中，支承不可調(diào)解決方案使用最多，用于解決懸空機(jī)械加工零件加工彈刀問(wèn)題(如圖3)。該方案為定制專用工裝，需要工裝設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體零件工藝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套適合于該零件工藝方法的專用工裝，再由制造人員按工裝設(shè)計(jì)要求制造完成零件專用工裝制造，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件懸空零件的機(jī)械加工。采用該方案，大大增加了結(jié)構(gòu)件懸空零件的加工周期和制造成本。

圖3 專用工裝解決方案

1.2 支承可調(diào)解決方案

支承可調(diào)解決方案為設(shè)計(jì)一種可以隨零件階差自動(dòng)調(diào)節(jié)的支承裝置，在鈑金切割加工中即使用該方法，如柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)[1]的設(shè)計(jì)(見圖4)。但該柔性工裝在結(jié)構(gòu)件零件加工中應(yīng)用存在較大困難，結(jié)構(gòu)件零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，加工精度高，定位要求高，切削力大，該柔性工裝無(wú)裝夾定位、點(diǎn)接觸和較高懸空加工方式，不能滿足懸空結(jié)構(gòu)件零件的加工要求。若使用該方法，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)工裝。采用該方案，將消耗不少人力物力，大大增加制造成本。通過(guò)設(shè)計(jì)一套如此復(fù)雜的柔性工裝來(lái)加工較小占比的懸空機(jī)械加工零件和消耗大量的維修保養(yǎng)費(fèi)用是不符合低成本制造要求的。

圖4 柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)解決方案

1.3 積木式支承塊解決方案

在積木式支承塊解決方案中，支承塊高度固定，根據(jù)支承塊高度來(lái)設(shè)計(jì)零件加工方案。為了滿足大多數(shù)懸空結(jié)構(gòu)件零件的機(jī)械加工，固定支承塊采用積木式支承塊組合而成(見圖5)。該解決方案為可調(diào)支承塊解決方案與不可調(diào)支承塊解決方案的融合，既有可調(diào)支承塊解決方案的特點(diǎn)，又有不可調(diào)支承塊解決方案的特點(diǎn)；既解決了結(jié)構(gòu)件懸空零件的加工問(wèn)題，又減小了工裝設(shè)計(jì)和制造難度。在該解決方案中，工裝部件為簡(jiǎn)單部件，使用性能好，降低了工裝維修等方面的消耗。該解決方案能滿足大多數(shù)結(jié)構(gòu)件懸空零件的加工，屬于柔性工裝，可為結(jié)構(gòu)件懸空零件柔性工裝設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

圖5 積木式支承塊解決方案原理圖

2 驗(yàn)證積木式支承塊解決方案的可行性

為驗(yàn)證積木式支承塊解決方案的可行性，選取一個(gè)懸空零件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加工驗(yàn)證。試驗(yàn)方法為：選取懸空零件→根據(jù)懸空高度加工支承塊→制定懸空零件加工工藝方案→懸空零件工藝準(zhǔn)備→現(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn)→零件表面質(zhì)量檢查。懸空零件工藝方案、加工試驗(yàn)過(guò)程和加工結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，零件加工中無(wú)彈刀現(xiàn)象發(fā)生，零件表面質(zhì)量好，達(dá)到了零件制造要求。由此可知，利用積木式支承塊來(lái)加工懸空零件的方案是可行的。

圖6 工藝試驗(yàn)

3 基于積木式支承塊的柔性工裝設(shè)計(jì)

基于積木式支承塊的柔性工裝設(shè)計(jì)包括積木式支承塊、基礎(chǔ)墊板及工裝附件的設(shè)計(jì)?；A(chǔ)墊板的作用是支承零件和積木式支承塊，固定積木式支承塊，零件定位及零件壓緊；積木式支承塊的作用是支承零件懸空部位、固定積木式支承塊和固定零件；工裝附件包括螺釘、定位銷、壓板和支承等部件，作用為安裝固定可調(diào)支承塊、基礎(chǔ)墊板和懸空零件。

3.1 積木式支承塊設(shè)計(jì)

積木式支承塊分為固定支承塊和墊高支承塊(見圖7)，固定支承塊用于將積木式支承塊固定在基礎(chǔ)板上和將零件固定在積木式支承塊上，其特征是固定支承塊上有沉頭孔和螺紋壓緊孔；墊高支承塊用于根據(jù)零件懸空高度來(lái)調(diào)整積木式支承塊高度，其特征是墊高支承塊上有螺釘通孔。積木式支承塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足不同懸空零件支承高度不一致的使用要求，其厚度分別設(shè)計(jì)為2、3、5、10、20和25 mm，通過(guò)組合可以滿足大多數(shù)懸空零件的加工使用要求。固定支承塊上設(shè)置螺釘壓緊孔，必要時(shí)可壓緊零件中間部位工藝凸臺(tái)，以提高零件加工強(qiáng)度。

圖7 積木式支承塊結(jié)構(gòu)模型

3.2 基礎(chǔ)墊板設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)墊板的設(shè)計(jì)主要考慮支承塊、加工零件和基礎(chǔ)墊板在機(jī)床上的定位和安裝。為提高基礎(chǔ)墊板的通用性，零件定位采用1個(gè)定位孔和1個(gè)定位槽的方式，裝夾壓緊孔的間距設(shè)置為50 mm×50 mm(見圖8)。

圖8 基礎(chǔ)墊板結(jié)構(gòu)圖

4 基于積木式支承塊的柔性工裝應(yīng)用實(shí)例

4.1 基于積木式支承塊的柔性工裝工藝方案設(shè)計(jì)

基于積木式支承塊的柔性工裝工藝設(shè)計(jì)，首先應(yīng)根據(jù)零件懸空高度選擇合適的支承塊組合，以滿足懸空零件加工的墊高要求，一般按從大到小的順序選擇(見圖9)；其次，應(yīng)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、支承塊結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)墊板壓緊孔設(shè)置來(lái)確定支承塊相對(duì)于零件的擺放位置(見圖10)；最后，應(yīng)根據(jù)零件、工藝凸臺(tái)、支承塊和基礎(chǔ)墊板三者的協(xié)調(diào)關(guān)系確定零件定位孔(見圖11)。

圖9 積木式支承塊組合模型

圖10 積木式支承塊安裝協(xié)調(diào)位置圖

圖11 積木式工裝安裝零件模型示意圖

4.2 基于積木式支承塊的柔性工裝工藝程編

基于積木式支承塊的柔性工裝工藝程編應(yīng)注意，加工第1面時(shí)控制工藝凸臺(tái)與零件腹板之間的階差，防止零件在裝夾壓緊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力?？刹捎猛话训毒咔乙淮螌?duì)刀來(lái)加工工藝凸臺(tái)和零件腹板，以控制階差(見圖12)。當(dāng)零件腹板上有孔時(shí)，應(yīng)在第1面加工時(shí)鉆出，防止第2面加工時(shí)鉆孔銑傷工裝支承塊或基礎(chǔ)板(見圖12)。由于柔性工裝需多次使用，因此應(yīng)防止零件加工時(shí)刀具銑傷工裝，可在加工時(shí)留0.05 mm余量，來(lái)保證不銑傷柔性工裝(見圖13)。

圖12 積木式支承塊程編示意圖

圖13 積木式支承塊程編示意圖

4.3 基于積木式支承塊的柔性工裝工藝文件編制

基于積木式支承塊的柔性工裝工藝文件編制，應(yīng)在工藝規(guī)程中明確組合柔性工裝支承塊的組成和支承塊與基礎(chǔ)墊板之間的裝配關(guān)系，以便于操作工人按工藝規(guī)程裝配工裝(見圖14)。

圖14 柔性工裝安裝圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于積木式支承塊的柔性工裝能滿足大多數(shù)懸空結(jié)構(gòu)件零件的加工需求，尤其在航空裝備的研制生產(chǎn)中具有一定優(yōu)勢(shì)。基于積木式支承塊的柔性工裝與零件專用工裝相比，提高了零件生產(chǎn)效率，降低了零件制造成本；與數(shù)控柔性工裝系統(tǒng)相比，工裝成本更低，使用和維修更方便。

[1] 靳陽(yáng)，郇極.飛機(jī)制造數(shù)控柔性工裝伺服驅(qū)動(dòng)組件和控制系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2014(8):48-51,82.

歐映鴻，周良明，唐 林，蒲昌蘭，于海濤

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 結(jié)構(gòu)件廠，四川 成都 610092)

通過(guò)對(duì)懸空零件加工中彈刀現(xiàn)象的分析，探索懸空零件加工的新方法，提出利用積木式柔性工裝來(lái)消除懸空零件加工中的彈刀現(xiàn)象，解決定制專用工裝加工懸空零件時(shí)生產(chǎn)周期長(zhǎng)且制造成本高的問(wèn)題，從而提高零件加工表面質(zhì)量，縮短零件生產(chǎn)周期，降低制造成本。

懸空零件；柔性工裝；積木式墊塊

Research on a Flexible Building-blocks Fixture for Milling Hanging-parts

OU Yinghong, ZHOU Liangming, TANG Lin, PU Changlan, YU Haitao

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Structural Parts Factory, Chengdu 610092, China)

Through analysis of the shaking cutting tool phenomenon of milling the hanging-parts, explore the new method of milling the hanging-parts, propose using the flexible building-blocks fixture instead of the special fixture to mill hanging-parts for solving the long production cycle and the high manufacturing cost of the hanging-parts, and solve the shaking cutting tool problem, so as to improve the surface quality of the hanging-parts. The results shorten the production cycle and reduce the manufacturing cost of the hanging-parts.

hanging-parts, flexible fixture, building-blocks

歐映鴻(1988-)，男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)及飛機(jī)零件管理技術(shù)等方面的研究。

2016-03-29

責(zé)任編輯 鄭練

TG 754

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