柔性?shī)A具在多工序精密零件加工中的應(yīng)用

溫上樵

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210023)

在多工序精密零件的加工中，一種設(shè)備是不可能完全承擔(dān)全部的加工任務(wù)，因此，就需要其他設(shè)備共同來(lái)完成。但多次裝夾產(chǎn)生的重復(fù)定位誤差，對(duì)精密零件的形位誤差影響很大，有時(shí)，甚至重復(fù)定位誤差大會(huì)導(dǎo)致工件無(wú)法加工。而一些中小企業(yè)沒(méi)有資金對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行更新，令產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法提升。

涉及多工序的精密零件加工，零件需要在多臺(tái)設(shè)備中流轉(zhuǎn)。在此過(guò)程中，由于二次裝夾引起的重復(fù)定位誤差一直伴隨著加工的全過(guò)程。此外，對(duì)于一些加工中心而言，為了保證能在一次裝夾中完成大部分工序，從粗加工到精加工都在一臺(tái)機(jī)床中完成，使得機(jī)床的利用效率降低。雖然使用加工中心，可以部分解決二次裝夾帶來(lái)的重復(fù)定位誤差，但依然不能解決需要特種加工的零件二次裝夾產(chǎn)生的定位誤差。

1 加工精度分析

重復(fù)定位誤差一直影響著工件的形位公差，使得加工具有較高形位公差精度的零件長(zhǎng)期以來(lái)都是一個(gè)困擾著工程技術(shù)人員的難題。重復(fù)定位誤差來(lái)源于以下兩個(gè)方面:

(1)工件在不同機(jī)床之間流轉(zhuǎn)時(shí)的安裝誤差

工件在從普通機(jī)床轉(zhuǎn)入數(shù)控機(jī)床中加工時(shí)，需要重新安裝，這樣工件的重復(fù)定位誤差不可避免。如果，工件還需要進(jìn)行電加工等特種加工，這樣重復(fù)定位誤差又會(huì)出現(xiàn)。

(2)工件在同一臺(tái)機(jī)床上多次裝夾的誤差

用普通機(jī)床加工零件，如果需要2 次以上的安裝，必然產(chǎn)生重復(fù)定位誤差。如銑削一個(gè)方箱4 個(gè)相互垂直的表面，需要4 次安裝，這樣的重復(fù)定位誤差將是多次安裝誤差的和。

2 方案設(shè)計(jì)

柔性?shī)A具是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是安裝在各機(jī)床上的標(biāo)準(zhǔn)接口夾具，與其他預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標(biāo)準(zhǔn)元件相結(jié)合，加工中，標(biāo)準(zhǔn)元件隨工件一起流動(dòng)。工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在加工過(guò)程中，可以隨時(shí)對(duì)工件進(jìn)行在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制。因此，柔性?shī)A具的應(yīng)用非常重要，尤其適合于多品種、中小批量的生產(chǎn)。

圖1 工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

(1)夾具接口的標(biāo)準(zhǔn)化

在相關(guān)的設(shè)備中加裝具有標(biāo)準(zhǔn)接口的柔性卡盤(pán)，如圖2所示。該卡盤(pán)可以兼容國(guó)內(nèi)、外大多數(shù)品牌的柔性?shī)A具，如EROWA 和3R 等。

圖2 加裝了柔性?shī)A具的設(shè)備

(2)工件安裝的標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)工件的大小和加工的需要，工件可以采用螺釘固定在托板或電極夾持塊上，也可以直接用精密虎鉗裝夾。在托板、電極夾持塊和精密虎鉗的背面，均安裝拉釘用于同柔性卡盤(pán)聯(lián)接，如圖3所示。

3 工藝系統(tǒng)分析

(1)分步加工，使機(jī)床盡其所能完成工作

根據(jù)機(jī)床的加工能力，安排合適的工序。用數(shù)控機(jī)床加工零件，從粗加工一直到精加工，這樣十分方便，加工過(guò)程中不用人去操作。但是，這樣的加工工藝，會(huì)大幅度增加加工成本。粗加工盡量由普通設(shè)備來(lái)完成，半精加工可以由經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備來(lái)完成，精加工和精密加工可以由高精度數(shù)控設(shè)備來(lái)完成。常用設(shè)備加工工時(shí)費(fèi)見(jiàn)表1。

表1 加工工時(shí)費(fèi) 元/h

根據(jù)設(shè)備條件，進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃。如果每種設(shè)備有2 臺(tái)以上，則可以建設(shè)成為混合式機(jī)床系統(tǒng)，如圖5所示;如果每種設(shè)備的臺(tái)數(shù)有限，則建設(shè)成為配備互補(bǔ)式機(jī)床系統(tǒng)，如圖6所示。

圖5 混合式機(jī)床系統(tǒng)

圖6 互補(bǔ)式機(jī)床系統(tǒng)

(3)工件檢測(cè)的過(guò)程化

在加工的過(guò)程中，工件的檢測(cè)十分重要。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是常用的檢測(cè)設(shè)備，為了能實(shí)現(xiàn)工件在加工過(guò)程中的多次檢測(cè)，利用三坐標(biāo)測(cè)工作臺(tái)上預(yù)留的螺孔，安裝柔性卡盤(pán)，如圖4所示。

此外，工件在安裝過(guò)程中的調(diào)整工作，也可以放在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行，這樣可以有效減少輔助工時(shí)。

圖4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)加裝柔性卡盤(pán)

(2)利用柔性工裝，保證工件二次裝夾的誤差

在加工所需要使用的設(shè)備中，安裝統(tǒng)一的柔性?shī)A具接口，工件通過(guò)托盤(pán)，在不同的設(shè)備中進(jìn)行流轉(zhuǎn)，托盤(pán)上設(shè)有拉釘，可以同柔性?shī)A具接進(jìn)行聯(lián)接。

(3)基準(zhǔn)統(tǒng)一，減少安裝

定位基準(zhǔn)統(tǒng)一是柔性制造的理論依據(jù)。以一個(gè)階梯軸的加工為例，粗加工在普通車(chē)床上完成，半精加工在數(shù)控車(chē)床上完成，精加工在磨床上完成。所有的加工工序均以兩端頂尖孔為定位基準(zhǔn)，二次裝夾時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生重復(fù)定位誤差，這樣的加工已具備柔性加工的雛形。

3 種不同的加工工藝，用普通設(shè)備加工的費(fèi)用最低，但對(duì)工人的技術(shù)要求比較高，加工質(zhì)量不容易保證，加工精度不如用數(shù)控設(shè)備加工和柔性?shī)A具輔助加工。用柔性?shī)A具輔助加工與用數(shù)控設(shè)備加工相比，加工質(zhì)量穩(wěn)定，精度相同，加工工時(shí)減少，而加工費(fèi)用大幅降低。加工情況對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 加工對(duì)比表

4 結(jié)論

在整個(gè)精密零件生產(chǎn)過(guò)程中，利用標(biāo)準(zhǔn)化夾具以及機(jī)床與工件之間聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)化接口，為多工序精密零件的加工帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì):

(1)有效降低設(shè)備資金的投入，保證加工質(zhì)量，縮短了加工周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本;

(2)有利于工件在各機(jī)床中流轉(zhuǎn)，且加工精度不受到二次裝夾的影響，重復(fù)定位誤差可達(dá)0.002 mm;

(3)機(jī)床設(shè)備的使用可以根據(jù)加工階段合理選擇，使得加工不過(guò)分依賴(lài)高精度設(shè)備;

(4)加工前的機(jī)外預(yù)調(diào)和測(cè)量，將輔助工時(shí)與機(jī)動(dòng)工時(shí)重合，不占用機(jī)床的生產(chǎn)時(shí)間;

(5)加工過(guò)程中的測(cè)量有效地解決了機(jī)床的系統(tǒng)補(bǔ)償，可以確保工件的加工精度;

(6)測(cè)量數(shù)據(jù)可建立工作數(shù)據(jù)庫(kù)，隨時(shí)調(diào)用，使得單件、小批生產(chǎn)向柔性自動(dòng)化方向發(fā)展。

［1］趙東福.自動(dòng)化制造系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］張根保.自動(dòng)化制造系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］吳啟迪.柔性制造自動(dòng)化的原理與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.

［4］何健廉.柔性裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

［5］劉延林.柔性制造自動(dòng)化概論［M］.南京:華東科技大學(xué)出版社，2003.

［6］徐社.柔性制造系統(tǒng)原理與實(shí)踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［7］SMT 柔性定位夾具系統(tǒng)［EB/OL］.http://www.smt-tooling.com/fixture.asp，2005.