梳型薄壁零件加工工藝研究

高章育，陳 輝，李世男，張彥杰

(沈陽建筑大學 交通與機械學院，沈陽 110168)

0 引言

在包裝機械行業(yè)中，出現(xiàn)了一種梳型薄壁的典型零件，是灌裝機的一重要零部件。此零件外形簡單，采用的304（0Cr19Ni9）不銹鋼材料，但是加工難度大[1]，同時對加工精度有一定要求，由于零件的梳型和壁薄的特點，薄壁使加工中易變形，梳型需要多次轉(zhuǎn)換工位，生產(chǎn)效率低，加工周期長。

針對以上情況，本文結(jié)合梳型薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點和特殊工藝的要求，設(shè)計了一套加工工藝以及研制了自動分度夾具，在滿足零件加工要求的前提下，大大提高梳型薄壁零件的生產(chǎn)效率，降低了工人的頻繁操作強度，滿足了梳型薄壁零件大批量生產(chǎn)的要求。

1 梳型薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點

如圖1所示為梳型薄壁零件圖，此零件壁薄，并且在薄壁圓周上需要加工出微細縫隙，尤其是在二次裝夾時容易變形，裝夾定位困難，致使生產(chǎn)效率低，具體表現(xiàn)如以下三個方面：

1）梳型薄壁零件在加工微細縫隙時，對加工方法要求較高，加工時較大切削力易對零件的變形量產(chǎn)生較大影響，以及考慮生產(chǎn)成本的要求；

2）零件的壁薄，在普通卡盤裝夾時，夾緊力會對零件的變形產(chǎn)生較大影響；

3）由于零件在薄壁周圍均勻分布著微細縫隙，在對零件的分度如采用傳統(tǒng)分度頭，增加工人頻繁的操作強度，難以提高加工效率。

圖1 工件圖紙

2 工藝分析及方案

研究出一套合理的加工工藝，不僅可以解決上述問題，而且能滿足零件的加工精度要求，提高效率，適應(yīng)大批量生產(chǎn)要求。

2.1 毛坯料選取

304不銹鋼在空氣中或化學腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，作為不銹耐熱鋼使用最廣泛，食品用設(shè)備，一般化工設(shè)備等。因此選用304不銹鋼作為梳型薄壁零件的材料。

但是由于304為奧氏體不銹鋼具有高韌性和塑性，切削過程易產(chǎn)生塑性變形，使切削力增大，切屑不易斷屑，導致加工性能差[2]。所以選用不銹鋼管材Φ38x2-8，加工余量小，加工效率提高，適宜于大批量生產(chǎn)的選材。

2.2 工藝分析

根據(jù)零件的基本外形結(jié)構(gòu)分析，此零件主體為回轉(zhuǎn)體，然后在主體結(jié)構(gòu)上加工出圓周均勻的微細縫隙。以現(xiàn)有機床，無法通過一次裝夾完全加工出來。所以進行工序分散，采用車削與其他微細加工方法來完成的零件加工。

由于選用不銹鋼管材，基本外形尺寸可以直接在數(shù)控車床上加工出，并能保證尺寸精度的要求。然而微細縫隙的加工是本工藝的加工難點，傳統(tǒng)加工方法難以滿足要求。

這里考慮了特種加工法來實現(xiàn)工藝的要求，如激光加工、電火花加工、等離子弧加工、電化學加工等，利用熱能、電能、化學能等，以上加工法與工件的硬度強度等機械性能無關(guān)，因此能滿足薄壁零件的加工。由于考慮到加工成本以及加工效率等方面因素，本工藝選用電火花線切割加工[3]。

2.3 工藝方案確定

管材首先在數(shù)控車床上加工，粗車外圓、平整端面、粗鏜削內(nèi)孔，精車外圓、鏜削內(nèi)孔、截斷，保證各個零件尺寸的要求，去毛刺。零件圓周均勻的微細縫隙由數(shù)控線切割機床來加工，可以滿足外形尺寸的要求[4]。

3 夾具的分析與設(shè)計

零件的裝夾定位是加工合格零件的基本要素，然而夾具起著至關(guān)重要的作用，夾具的優(yōu)劣直接影響著加工效率和加工質(zhì)量。

3.1 夾具分析

外形基本尺寸加工時，車削加工可以直接選用數(shù)控車床自帶三爪自定心卡盤。以不銹鋼管外圓為基準對毛坯進行定位與加緊，既可以滿足加工需求。微細縫隙的加工時，需要在線切割機床上來實現(xiàn)。然而線切割機床沒有通用夾具，對于圓周均勻的微細縫隙的加工難以滿足，必須進行專用夾具的設(shè)計，才能保證零件的加工合格。

線切割機床夾具首先要滿足工件的定位以及加緊，同時還要工件每道縫隙的間的角度要求，由于此每件零件的縫隙較多，因此必須實現(xiàn)夾具的自動轉(zhuǎn)換角度，這就對夾具的設(shè)計提出了較高要求。

3.2 線切割機床夾具的設(shè)計

1）線切割機床夾具方案

線切割機床一般沒有通用夾具，只配備了簡易的夾具，僅能滿足普通加工需求。針對此零件的夾具設(shè)計，從工件的定位加緊和實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)角度兩個方面來考慮。

定位加緊仍然采用三爪定心卡盤，但是對于薄壁零件裝夾增加卡盤與工件的接觸面積，以減小工件受力變形，同時采用氣動卡盤，氣壓調(diào)定合適，即可以滿足高效便捷的加工。

自動轉(zhuǎn)角度則采用PLC控制步進電機，電機帶動卡盤的方法。通過線切割在加工細縫時工作臺移動觸動位置傳感器，產(chǎn)生觸發(fā)電信號，控制步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，如此連續(xù)即可實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)角度加工。

2）線切割機床夾具設(shè)計

首先對進氣動卡盤的每個卡爪增前段加一個月牙圓弧板，采用焊接方式與卡爪連接，然后用車床在進氣動卡盤裝好的卡爪前段月牙板上加工出一個臺階，圓弧直徑為Φ35.75mm。通過改進氣動卡盤的卡爪，可以更好定位和加緊工件，以減少工件的變形，方便裝夾找正。

自動轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)為，采用一底座來支撐和定位步進電機及卡盤，采用混合式步進電機直接驅(qū)動卡盤，混合步進電機在未加電的情況有自鎖能力，適用于本工藝的特殊要求，在每轉(zhuǎn)過一個角度后自鎖，便于線切割的加工。使用PLC連接驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，驅(qū)動器細分可以消除電機低頻振蕩[5]。

采用57二相電機，步距角為0.9o/1.8o，驅(qū)動扭力最大約為1N/m?？ūP采用K51-160C氣動卡盤，裝卡范圍為10mm～160mm，卡盤重量為12Kg，轉(zhuǎn)動慣量大約為0.0768kg.m2，采用57二相電機可以滿足要求。PLC采用三菱系統(tǒng)FX1S-10MR-001型，10接口即可滿足需要。驅(qū)動器選用細分數(shù)為40檔，自動化分度夾具步距角為0.045o，卡盤每轉(zhuǎn)4.5o需要100個脈沖[6]。最終設(shè)計的自動分度夾具模型如圖2所示。

圖2 設(shè)計自動分度夾具模型

在線切割機床工作臺上，采用兩套自動化分度夾具，對稱分布，同時在機床兩側(cè)都設(shè)置一個位置傳感器，便于提高加工效率。工作原理：裝卡工件→線切割加工右側(cè)工件→觸發(fā)右位傳感器，左側(cè)夾具專一角度→線切割加工左側(cè)工件→觸發(fā)左位傳感器，右側(cè)夾具專一角度→最終完成加工。

PLC程序及接線圖如圖3、圖4所示。

圖3 PLC程序

圖4 PLC接線示意圖

4 結(jié)論

本研究提出了一種加工梳型薄壁零件的工藝，同時還設(shè)計了一套自動分度夾具。提高了梳型薄壁類零件的自動化加工程度，改善了加工定位精度，顯著提升了加工效率，降低了工人的工作強度，因此滿足了大批量生產(chǎn)需要。

[1]譚波,劉彥伯.304不銹鋼薄壁環(huán)類零件的車削加工[J].新技術(shù)新工藝.2012(11).31-33.

[2]羅永順,覃孟揚,李玉忠.不銹鋼切削殘余應(yīng)力實驗研究[J].現(xiàn)代制造工程.2014(3).79-82.

[3]曹鳳國,等.特種加工手冊[M].機械工業(yè)出版社,2010-11-1

[4]朱煥池.機械制造工藝學[M].北京:機械工業(yè)出版社.2001.

[5]劉飛,劉新正.兩相混合式步進電機多級細分控制的應(yīng)用研究[J].微電機,2007,40(1):14-17.

[6]殷華文,于兆和,馬志剛.PLC對步進電機的控制技術(shù)[J].組合機床與自動化加工技術(shù).2003(8).65-67.