零點定位夾具在缸體缸蓋試制機加工中的應(yīng)用

程碩

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200000)

0 引言

發(fā)動機缸體缸蓋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工特征多，需要控制保證的尺寸多，且在開發(fā)階段存在多項目共機試制，設(shè)計改動導(dǎo)致工藝更改等現(xiàn)象，使得缸體缸蓋需要眾多的工裝夾具滿足試制工藝需求[1]；同時，相同樣件也會按不同的工序安排來完成復(fù)雜的特征加工，亦需設(shè)計相應(yīng)的工裝夾具。試制階段由于批量較小，考慮到機床投入及維護成本，多采用一機多用的生產(chǎn)模式以增加機床利用率；但是項目開發(fā)周期通常較為緊湊，設(shè)備停機、等待、頻繁的夾具換裝嚴重制約設(shè)備加工能力的發(fā)揮，也成為影響發(fā)動機缸體缸蓋試制機加工效率的重要因素[2]。同時，試制加工精度是后期實驗數(shù)據(jù)的重要影響因素，傳統(tǒng)的機械夾具手工換裝無法在短時間內(nèi)完成高精換裝，工程師人力技能依賴較大，所以試制機加工夾具的高精換裝成為了亟待解決的問題。

發(fā)動機缸體缸蓋樣件試制機加工批量小，前期開發(fā)階段項目切換頻繁，使得加工中心夾具需要頻繁換裝，降低加工效率。為解決這一問題，本研究中在缸體缸蓋試制機加工中引入了零點定位技術(shù)方案，并對方案的可行性進行了探討。

1 零點定位系統(tǒng)簡述

零點定位系統(tǒng)是利用不同零點定位托板作為載體，將不同的產(chǎn)品坐標系轉(zhuǎn)化為唯一坐標系，再通過機床上的標準化夾具接口進行定位和夾緊。采用了定位托板進行轉(zhuǎn)化，可實現(xiàn)同一夾具適應(yīng)不同類型的工件，使得工件從一個工序到另一個工序，或一臺機床到另一臺機床，其基準始終一致[3]。零點定位系統(tǒng)發(fā)展至今已在多種高柔性機加工生產(chǎn)線中得以應(yīng)用，但是在樣機試制機加工領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較少。

零點定位系統(tǒng)試制機加工夾具(下述夾具)主體由母板和子板組成。夾具母板被精確安裝在機床工作臺上，以保證其定位接口相對于機床的位置精度；子板正面是用于工件裝夾的工裝塊，其背面是與母板定位接口匹配的定位接頭。在進行工件裝夾時，首先用工裝塊將工件裝夾于夾具子板正面，然后將工件及夾具子板整體與加工中心工作臺上的夾具母板對接安裝及加緊，以快速完成換裝、換產(chǎn)。該夾具系統(tǒng)能保證工作臺外工件裝夾后的位置精確關(guān)系能完整地轉(zhuǎn)移到加工中心工作臺上，縮短轉(zhuǎn)移機床切削加工中裝夾時間，同時能確保夾具的固定和拆卸操作快捷、工件加工過程中裝夾可靠、夾具的快捷切換及定位等[3]；同時，其重復(fù)定位精度達到0.005 mm，能實現(xiàn)超精定位換裝。

2 零點定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 零點定位器的選用及排布

零點定位器一般分為楔形塊定位器和鋼珠定位器，經(jīng)調(diào)研實驗可知，鋼珠定位器因其優(yōu)化的曲線定位頭，可實現(xiàn)定位器的誤差自動找正，在吊裝子板進行夾具切換時，可有效地減少定位器對接難度，減輕技師換裝難度。同時，鋼珠夾持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更易于清理灰塵及鋁屑，也更適合于缸體缸蓋試制機加工的實際使用環(huán)境。本次試制機加工夾具設(shè)計選用ANDREAS MAIER GMBH & CO KG(AMF)公司的鋼珠定位器，考慮到其裝夾力大小及現(xiàn)場環(huán)境，定位器采用氣動鎖緊(如圖1所示)。

圖1 鋼珠零點定位器示意圖

經(jīng)過對裝夾重量及扭矩測算，夾具體采用四組零點定位器排布形式(如圖2所示)。四組定位器均分于夾具四角，320 mm的中心距能更好地控制缸體缸蓋重心穩(wěn)定性，左下角設(shè)置為主定位器，右上角設(shè)置為單向輔助定位器，另外兩組設(shè)置為緊固定位器。對角的定位設(shè)置可以最大限度地增加定位元件中心距，從而使定位精度更為精準；另外兩組的輔助緊固定位器，可以更好地保證裝夾穩(wěn)定性。

圖2 零點定位器排布示意圖

2.2 零點定位器結(jié)構(gòu)原理

零點定位器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，分別由鎖緊鋼珠、密封圈Ⅰ、密封圈Ⅱ、密封圈Ⅲ等組成。安裝時定位器整體結(jié)構(gòu)隨安裝工具裝入底盤上與之相匹配的安裝槽中，將安裝螺栓鎖緊后可將安裝工具卸下，裝入螺紋銷密封。

圖3 夾具母板定位接口示意圖

零點定位器松開夾持時，通過密封圈Ⅰ與密封圈Ⅱ之間的間隙通入高壓空氣，空氣壓力迫使密封圈Ⅰ與密封圈Ⅱ?qū)?yīng)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生相互作用力，推動底部彈簧壓縮，密封圈Ⅱ?qū)?yīng)結(jié)構(gòu)件隨之向下產(chǎn)生位移，鎖緊鋼珠向四周分散，從而松開夾持。相反，當高壓氣體停止通入，則彈簧推動結(jié)構(gòu)件向上運動，恢復(fù)至原始狀態(tài)，其擠壓鎖緊鋼珠對中夾緊，實現(xiàn)零點定位銷的鎖緊。為保證夾緊可靠性及持續(xù)性，一般情況下會在密封圈Ⅱ與密封圈Ⅲ之間布置反推氣路，該氣路通入高壓空氣時，輔助彈簧以更緊的夾緊力向上推動鋼珠夾持，使裝夾更為可靠[4-5]。

2.3 夾具母板結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 母板氣道設(shè)計

要保證零點定位器功能性與夾持穩(wěn)定性，母板內(nèi)部氣道通路的排布是重中之重，既要保證氣流的順利導(dǎo)通至零點定位器相應(yīng)模塊，保證母板結(jié)構(gòu)強度，又要考慮加工工藝性，合理的排布能有效地增加該系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性與維護便利性[6]。

零點定位器在夾緊及放松狀態(tài)都需要高壓空氣通入以實現(xiàn)動作，所以母板需布置兩組獨立氣路，分別控制四套零點定位器的夾持與放松。圖4是夾具母板的氣路布置圖，整體氣路由上下兩層組成，上層為圖中所示綠色通路，其相互聯(lián)通，通過位于零點定位器安裝槽上部的導(dǎo)氣孔將高壓空氣導(dǎo)入零點定位器密封圈Ⅰ與密封圈Ⅱ之間的間隙(見圖3)，實現(xiàn)松開夾持；下層紅色通路亦相互聯(lián)通，同理導(dǎo)入零點定位器反推氣路，實現(xiàn)可靠夾緊。氣道采用8 mm直徑，一方面保證氣路通暢，減少壓力損失，另一方面提升300 mm深盲孔設(shè)計的加工工藝性。上下層氣路最小間隔設(shè)置為3 mm，一方面可防止氣道加工偏差貫通兩組氣道，另一方面也能更好地保證夾具體在滿足強度要求下選用更薄的鋼板以及適應(yīng)減重工藝槽。

圖4 母板示意圖

2.3.2 母板靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

母版夾具應(yīng)用于缸體缸蓋機加工試制，其強度要求也是試制精度的重要保證。在有效減重的情況下，保證母板的強度要求是母板設(shè)計的重點研究內(nèi)容。為此，對配置氣道及減重槽后的夾具母板進行了有限元分析。根據(jù)夾具子板自重、工件重量、極限加工力等相關(guān)因素計算夾具母板的綜合極限受力[7]，然后乘以安全系數(shù)，可估算出其極限狀態(tài)下四個零點定位器安裝部分綜合極限承壓小于20 000 N。對受力面施加20 000 N壓力，同時對母板8個螺栓過孔進行固定約束，有限元計算后得到如圖5、圖6所示的應(yīng)力應(yīng)變云圖。由圖5可知，在極限狀態(tài)下應(yīng)力極限為螺栓過孔邊緣的應(yīng)力集中點，其數(shù)值為10.142 N/mm2，遠低于Steel45材料的許用應(yīng)力值600 N/mm2[8]。同時，母板的極限應(yīng)變?yōu)?.053 5×10-4mm，因夾具重復(fù)性定位精度要求為0.005，所以此應(yīng)變量遠小于定位要求。因此布置氣道及減重槽后的夾具母板強度符合零點定位系統(tǒng)夾具的設(shè)計指標要求。

圖5 母板應(yīng)力云圖

圖6 母板應(yīng)變云圖

3 零點定位系統(tǒng)重復(fù)性精度檢測及應(yīng)用

四個定位器的重復(fù)性定位精度是零點定位夾具系統(tǒng)可用性的重要保證，因此需要在三坐標測量儀上進行重復(fù)性精度檢測。圖7是零點定位器與夾具母板完成裝配后在三坐標測量儀上進行檢測。

圖7 零點定位系統(tǒng)重復(fù)性檢測

圖7左下角主定位器和右上角輔助定位器的相互位置精度即為夾具體定位精度的保證。因此選取兩組定位銷，分別按要求插入主定位器與輔助定位器，然后用三坐標探針掃描定位銷周圓，以確定兩組定位銷圓心相對位置度；測量完成后，進行充氣放松定位銷，重新裝夾夾緊，再次進行相互位置度測量，以此重復(fù)10次，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。根據(jù)工件圖紙尺寸公差要求，主副定位銷的相互位置度公差設(shè)計要求為0.005 mm，即圖示公差線條，而主銷位置度線條和輔銷位置度線條主要在0.001 mm～0.003 mm之間浮動，滿足設(shè)計定位精度要求。

圖8 主輔銷位置度重復(fù)性檢測數(shù)據(jù)圖

目前，零點定位系統(tǒng)試制機加工夾具已在公司某新型1.5T發(fā)動機缸體缸蓋試制項目中投入使用，樣件切換時間縮短了70%，機床開機率提升了20%；樣件裝夾精度得到了有力保證，機加工報廢率降低了2%。由此可見，零點定位系統(tǒng)夾具有效地提高了夾具換裝效率及換裝精度，解決了傳統(tǒng)換裝影響高精加工中心利用率及研發(fā)項目時間成本的問題，降低了試制過程對工程師人力調(diào)精技能的依賴，對研發(fā)試制領(lǐng)域機加工柔性化夾具的發(fā)展有著更多的啟發(fā)。

4 總結(jié)

零點定位系統(tǒng)有效提升了發(fā)動機缸體缸蓋試制機加工夾具換裝效率及精度，將來零點定位系統(tǒng)柔性夾具還可以推廣于試制檢測、試制裝配等場景，以提升試制領(lǐng)域全場景的快速、高精換裝需求。