基于UG的搖擺臂零件制造工藝設(shè)計(jì)

李悅， 劉玉萍

（1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢430081；2.十堰高級(jí)職業(yè)學(xué)校，湖北 十堰442000）

1 引 言

隨著加工技術(shù)與材料技術(shù)的發(fā)展，軸的加工工藝也有很大發(fā)展，軸加工中傳統(tǒng)的裝夾方法為一夾一頂，一般都利用過(guò)定位原理，使用跟刀架或中心架作為輔助支撐來(lái)增加工件的剛性，通過(guò)調(diào)節(jié)尾座的回轉(zhuǎn)中心提高工件的同軸度，在裝夾時(shí)，采用線接觸起到一定的方向調(diào)節(jié)作用。軸類零件常見(jiàn)的安裝方式是采用兩中心孔定位裝夾［1］?，F(xiàn)在很多先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于軸類零件加工中，包括主動(dòng)測(cè)量技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等。軸類零件加工工藝是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)工作，隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的快速發(fā)展，軸類零件在“高速、高精度、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化”的發(fā)展道路上邁上了新的臺(tái)階，也必將使軸承零件的質(zhì)量提升到一個(gè)更高的水平［2］。因此研究“搖擺臂零件制造工藝設(shè)計(jì)”具有重大意義。

2 搖擺臂零件及夾具結(jié)構(gòu)工藝性分析

2.1 搖擺臂零件的三維建模

用UG 軟件對(duì)搖擺臂零件進(jìn)行三維建模，如圖1 所示。

圖1 搖擺臂三維圖

2.2 搖擺臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工藝分析

圖2 搖擺臂重要面尺寸要求簡(jiǎn)圖

搖擺臂零件是裝在水泥泵中的，其作用是用來(lái)把水泥打到空中。搖擺臂和搖擺座裝配在一起，搖擺臂在搖擺座里高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生負(fù)壓，幫助噴射水泥；其剛體中有一個(gè)中間體，中間體中又有兩個(gè)剛體，每個(gè)剛體裝有一個(gè)搖擺座，每個(gè)搖擺座裝有兩個(gè)搖擺臂，然后搖擺臂在搖擺座里高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生負(fù)壓，噴射水泥。這個(gè)過(guò)程對(duì)搖擺臂零件本身具有一定的精度要求。

（1）搖擺臂重要面的加工分析

（2）搖擺臂零件的工藝安排

根據(jù)生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)間，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上生產(chǎn)該搖擺臂的加工工藝方案為：先粗車再半精車端面圓，然后鉆、鏜φ、φ21 孔，最后車圓弧臺(tái)階面。采取車的加工方法，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性好，普遍性強(qiáng)，加工形式廣。對(duì)孔φ25+0.0150和φ21 都采用鏜削加工，是因?yàn)樵谑褂迷摿慵r(shí)，該孔與R61 圓弧徑向最高點(diǎn)直線有一定的垂直度要求，而鏜孔比鉆孔的精度高，能更好地達(dá)到工藝要求。直接用四爪卡盤夾緊、定位工件，進(jìn)行車削，不用重新設(shè)計(jì)夾具，因而節(jié)省時(shí)間，節(jié)約成本。

2.3 確定搖擺臂零件的夾具設(shè)計(jì)方案

（1）確定搖擺臂零件的定位方式和定位元件

由以上搖擺臂加工方案的分析可知，宜采用φ132 端面圓為主要定位基準(zhǔn)。由于φ132 端面圓周上伸出了6 個(gè)凸臺(tái)，所以可將此零件與一個(gè)和φ132 端面圓形狀相同的零件相配合，用來(lái)定位，至此限制了5 個(gè)自由度，再用套筒與φ25+0.0150 的圓孔相配合，套筒定位在夾具體上，以此限制零件的旋轉(zhuǎn)，至此該零件的6 個(gè)自由度就被完全限制（定位簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3）。

（2）確定搖擺臂零件的夾緊方式

采用螺釘、螺母的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，使用這種夾緊方式有利于工件的裝夾和拆卸，方便、可行（單個(gè)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖4）。

（3）夾緊力的確定

為保證夾緊可靠，需乘以安全系數(shù)即得實(shí)際需要夾緊力。即：

式中，F(xiàn)it-最不利條件下由靜力平衡計(jì)算求出的夾緊力；J-實(shí)際需要夾緊力；K-安全系數(shù)，一般取K=1.5～3，粗加工取大值，精加工取小值。

生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛的切削力經(jīng)驗(yàn)公式：F

圖3 圓柱端面定位圖

圖4 單個(gè)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)示意圖

式中，F(xiàn)C、FP、Ff-分別為切削力、背向力、進(jìn)給力；CFC、CFP、CFf-取決于被加工材料和切削條件的切削力系數(shù)；xFC、xFP、xFf、yFC、yFP、yFf、nFC、nFP、nFf-分別為三個(gè)分力公式中，背吃刀量aP、進(jìn)給量f 和切削速度vC的指數(shù)；KFC、KFP、KFf-當(dāng)實(shí)際加工條件與建立經(jīng)驗(yàn)公式的試驗(yàn)條件不相符時(shí)，各種影響因素對(duì)各切削分力的修正系數(shù)的乘積。

由于搖擺臂零件材料為灰鑄鐵，車刀采用硬質(zhì)合金材料，所以各修正系數(shù)如下：

將以上修正系數(shù)代入上面的切削力經(jīng)驗(yàn)公式中，有

FC=900×0.31.0×0.30.75×1500×1.0×0.75=74.72N

經(jīng)計(jì)算得出夾緊力FJ=1534N。

3 夾具總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

此夾具是用來(lái)加工搖擺臂的圓弧臺(tái)階面，根據(jù)工廠現(xiàn)有設(shè)備，用CK6150 數(shù)控車床對(duì)搖擺臂零件進(jìn)行加工，裝夾兩個(gè)工件同時(shí)加工，兩個(gè)工件的圓弧臺(tái)階面合在一起變成了一個(gè)整圓，能夠保證加工時(shí)的平衡，也能夠提高效率。

3.2 夾具體的設(shè)計(jì)

完整的車床夾具應(yīng)包括定位元件、夾緊裝置、對(duì)刀元件、夾具體、輔助裝置等部分。

夾具體須將定位、夾緊裝置連接成一體，并能正確地與搖擺臂裝配在一起（夾具總體裝配草圖見(jiàn)圖5）。

圖5 夾具體裝配圖

夾具體裝配圖的三維圖如圖6 所示。

圖6 夾具體裝配三維圖

3.3 夾具精度分析

（1）安裝誤差Δax

安裝誤差由定位誤差和夾緊誤差組成，用Δax來(lái)表示。Δax=Δdw+Δjj，其中Δdw為定位誤差，Δjj為夾緊誤差。由于是以零件端面圓軸線為工序基準(zhǔn)標(biāo)注的外端面圓弧臺(tái)階面的位置尺寸，因此工序尺寸的工序基準(zhǔn)與零件的定位基準(zhǔn)（端面圓軸線）重合，無(wú)基準(zhǔn)不重合誤差，即Δjb=0；但是定位表面端面圓和定位元件墊塊有制造誤差，故有定位副制造不準(zhǔn)確誤差Δdb。

其中：Td-定位外端面圓弧面的公差，mm；α-墊塊上相鄰兩圓弧面間的夾角，（°）；在此夾具中α=90°，Td=0.01mm，代入上式有

即Δdw=0.0071mm。一般情況下視夾緊誤差為零，即Δjj=0。所以安裝誤差Δax=Δdw+Δjj=0.0071mm。

（2）夾緊的對(duì)定誤差Δdd

夾具的對(duì)定包括三個(gè)方面：夾具與機(jī)床的對(duì)定、夾具與刀具的對(duì)定、分度與轉(zhuǎn)位的對(duì)定。

可知影響垂直度0.012mm 的夾具與機(jī)床的對(duì)定誤差為底板上下端面的平行度，即夾具與機(jī)床對(duì)定誤差Δjc=0.012mm。由于此工序車外端面圓弧臺(tái)階面是在數(shù)控車床上進(jìn)行的，即夾具與刀具的對(duì)定誤差為Δjd=0.012mm。此裝置中無(wú)分度裝置，因此分度與轉(zhuǎn)位的對(duì)定誤差為零。所以?shī)A具的對(duì)定誤差為Δdd=Δjc+Δjd=0.012+0.012=0.024mm。

（3）過(guò)程誤差Δkc

因該項(xiàng)誤差影響因素多，又不便于計(jì)算，所以常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)留出工件公差的1/3。通常?。害c=δ/3

工件在夾具中加工時(shí)，總加工誤差ΣΔ 為上述各項(xiàng)加工誤差之和。為了得到合格產(chǎn)品，必須使各項(xiàng)加工誤差之和ΣΔ 不超過(guò)工件尺寸公差δ，即Δax+Δdd+Δkc≤δ

墊塊的垂直度0.012 的總加工誤差為：

所以該夾具能夠滿足加工要求。

4 加工搖擺臂零件的數(shù)控編程

本程序主要是用來(lái)加工搖擺臂外端面圓弧臺(tái)階面的，如圖7。

圖7 數(shù)控加工搖擺臂外端面圓弧臺(tái)階面

此程序是個(gè)循環(huán)體，部分程序如下：

5 搖擺臂各加工表面須檢測(cè)要素的檢測(cè)方法

（1）φ132 端面圓與R61 圓弧徑向最高點(diǎn)直線平行度要求的檢測(cè)。

圖8 φ132 端面圓與R61 圓弧徑向最高點(diǎn)直線平行度要求檢測(cè)簡(jiǎn)圖

測(cè)量時(shí)沿圖8 所示方向移動(dòng)千分表，在兩個(gè)R61 圓弧面上測(cè)出其徑向最高點(diǎn)，重復(fù)多次，記錄各數(shù)值，并將最大值與最小值相減，所得差值就是測(cè)得的φ132 端面圓的平行度誤差。若該誤差在φ132 端面圓所要求的公差（±0.02）mm 范圍內(nèi)，則該零件合格，反之則不合格。

如圖9，心軸與φ25 孔為無(wú)間隙配合，測(cè)量時(shí)先在心軸某一長(zhǎng)度處測(cè)出其徑向最高點(diǎn)，再沿心軸軸線方向移動(dòng)千分表一段距離，測(cè)出另一個(gè)徑向最高點(diǎn)，用最大值減最小值得差值，重復(fù)上述沿直線移動(dòng)的操作，并將所得各差值與平行度要求比較，查看是否小于所要求的平行度要求（±0.05mm）數(shù)值，若小于則該零件合格，否則不合格。

圖9 φ25+00. 015孔的軸線與φ132 端面圓平行度要求檢測(cè)簡(jiǎn)圖

檢測(cè)時(shí)，按圖10 所示放置被測(cè)零件，然后用手按住零件，心軸與φ25 孔為無(wú)間隙配合，先在心軸某一長(zhǎng)度處測(cè)出其徑向最高點(diǎn)，再沿心軸軸線方向移動(dòng)千分表一段距離，測(cè)出另一個(gè)徑向最高點(diǎn)，用最大值減最小值得差值，重復(fù)上述沿直線移動(dòng)的操作，并將所得各差值與垂直度要求比較，查看是否小于所要求的垂直度要求（±0.05mm）數(shù)值，若小于則該零件合格，否則不合格。

圖10 孔的軸線與R61 圓弧徑向最高點(diǎn)直線垂直度要求檢測(cè)簡(jiǎn)圖

檢測(cè)時(shí)，按圖11 所示放置被測(cè)零件，然后用手按住零件，在兩個(gè)R61 圓弧面上測(cè)出其徑向最高點(diǎn)，重復(fù)多次，記錄各數(shù)值，并將最大值與最小值相減，所得差值就是測(cè)得的R610-0.02圓弧外側(cè)面的垂直度誤差。若該誤差在所要求的公差（±0.025mm）范圍內(nèi)，則該零件合格，反之則不合格。

圖11 圓弧外側(cè)面與圓弧徑向最高點(diǎn)直線垂直度要求檢測(cè)簡(jiǎn)圖

6 結(jié) 論

綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控編程和機(jī)械制造工藝學(xué)等方面的知識(shí)，分析零件加工的定位、夾緊及工藝路線合理擬定、搖擺臂零件和夾具體三維模型的建立、數(shù)控編程，最后對(duì)搖擺臂零件各加工表面須檢測(cè)要素進(jìn)行了分析與檢測(cè)，從而保證零件加工的精度、質(zhì)量以及生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)（上下冊(cè)）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 鄧文英，郭曉鵬.金屬工藝學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 王先逵，李旦.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］ 顧京.數(shù)控機(jī)床加工程序編制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］ 陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2007.