鉆孔夾具的制造工藝過程

朱鋒

【摘 要】在飛機制造行業(yè)中，孔類零件加工精度要求高、難度大，在飛機零部件中占據(jù)相當重要的一部分。如使用普通機床直接加工，不僅耗費巨大的資源，而且經(jīng)常會無法達到工藝要求。夾具的采用不僅可以控制加工的精度，還可以在批量生產(chǎn)過程中節(jié)省大量的資源：使產(chǎn)品具有更好的互換性，甚至能夠解決普通機械加工無法直接加工的孔。本文通過對一套典型鉆孔夾具工裝的加工工藝分析及制造過程中一些關鍵問題的處理，對鉆孔類夾具的加工工藝進行剖析和總結(jié)，并對設計思路提出了自己的見解。旨在通過探究，優(yōu)化鉆孔類夾具設計，對定位的方式、公差的標注及設計布局做出合理的選擇，以期獲得更好的制造工藝性及使用高效性。

【關鍵詞】鉆孔夾具；設計；制造；工藝方法

1 夾具類型

夾具按鉆模板分類，一般可分為：固定式、分離懸掛式、鉸鏈連接可翻轉(zhuǎn)式。

（1）固定式：固定式鉆模板定位精度高，一般采用螺銷結(jié)構(gòu)與夾具本體連接；或者做成一體式。

（2）分離懸掛式：此種方式鉆模板可以與夾具體分離，懸掛在機床上，但是會使得機床占用，耗費資源。

（3）鉸鏈連接可翻轉(zhuǎn)式：此種方式有利于工件的安裝擺放，但是加工精度低、操作復雜。

在飛機制造行業(yè)中，工件加工精度要求高，所以一般采用固定式結(jié)構(gòu)即如下圖：

圖1 螺栓連接 圖2 一體式結(jié)構(gòu)

上兩種結(jié)構(gòu)形式中，圖1所示結(jié)構(gòu)為可分離式結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)方便加工、返工，而圖2所示的結(jié)構(gòu)加工難度大，不利于返工。因此一般采用圖1所示的螺銷結(jié)構(gòu)。

本文所探討的即為螺栓連接的分離式鉆孔夾具的加工工藝。

2 工藝分析

如圖3所示為一個鉆孔夾具的二維圖，虛線部分為需要制孔的產(chǎn)品。根據(jù)圖紙分析工裝功能：通過三個插銷定位產(chǎn)品，壓板夾緊。手槍鉆通過鉆套孔制出產(chǎn)品上的孔，且在圖1的上側(cè)孔為斜孔。

本工裝采用鉆模板和夾具體螺銷連接，具有如下優(yōu)點：

（1）方便拆裝和返修；

（2）便于制造；

（3）避免整體式夾具設計結(jié)構(gòu)浪費材料、降低生產(chǎn)成本，提高了效率。

以三銷一面定位方式，避免了以面面接觸定位可能造成的過定位問題。在加工過程中，有如下幾個方面的問題需要解決：

圖3

1）設計鉆模板過厚，沉孔過深，鉆套孔尺寸較小，可能會造成鉆套孔因位置太深而鏜刀尺寸不滿足使用要求。

（1）若沉孔和鉆套孔一次性加工，可能會造成鉆模板變形，進而引起底板的變形。

（2）圖紙要求DA孔位置度為？覬0.06，鉆套孔位置度？覬0.1。且有一部分孔為斜孔，精度要求較高，且為360°的加工范圍，若用臥式鏜床加工孔，則需要旋轉(zhuǎn)四次，多次裝夾、找正會造成基準不重合；且對于有角度的孔，還需要借助銷棒或球頭來轉(zhuǎn)換基準，從而帶來很大的工作量，最終也不一定能保證滿足孔位公差要求。若采用五軸數(shù)控機床加工，可以一次裝夾、找正，將四面的孔一次性加工出來，這在很大程度上避免了重復找正帶來的精度誤差，而且數(shù)控鏜銑床的定位精度和加工精度相對普通的鏜床也較高。

（3）由于本夾具的外形尺寸較大，考慮到普通鏜床適合加工尺寸較小的零件，大尺寸工件可能會有超程的問題。

（4）反復裝夾、找正的過程，對人力要求較高，而數(shù)控加工會減少人的額外工作量，從而縮短裝夾次數(shù)和時間，提高了生產(chǎn)效率。

通過工藝分析，為滿足設計及使用要求，現(xiàn)確定工藝方法如下：

（1）銑床將底板及鉆模板外形做到尺寸，鉆模板1、4上的避讓銷釘槽做出。

（2）將鉆模板1、2、4上的底孔？10做出。

（3）磨床將底板及鉆模板厚度面光出。

（4）鏜床將底板上的定位銷孔鏜出、并和定位銷配合。

（5）螺、銷連接鉆模板及夾具體底板。此過程中應注意避免底板和鉆模板變形。

（6）數(shù)控加工前，校核底板及鉆模板的變形情況、絲表檢查底板的平面度和平行度是否滿足設計要求。若不滿足要求，則需要拆掉鉆模板，重新上磨床，使其達到公差要求。

（7）數(shù)控加工鉆模板1、2、3、4上的孔？覬6H7。其中，鉆模板3外形由于為曲面，且孔為斜孔，普通機床不好加工，故沉孔在之前工序中并未加工。通過數(shù)控機床使用CYCLE83鉆深孔模塊循環(huán)來進行沉孔的加工，控制鉆模板的變形（深孔排屑加工方法）。？覬6H7的孔一律采用先鉆底孔？覬5、？覬5.5，然后鏜孔至尺寸的方法，確?？椎奈恢枚饶軌蜃畋M量保證。

待數(shù)控加工完成，修邊倒銳、清理干凈后，送測量部門進行檢測。

3 測量數(shù)據(jù)分析

3.1 測量機簡介

三坐標測量機是指在一個六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐標測量機?？啥x“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳遞訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)（如光柵尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計算機等計算出工件的各點（x，y，z）及各項功能測量的儀器”。

3.2 測量機工作原理

三坐標測量機就是在三個相互垂直的方向上有導向機構(gòu)、測長元件、數(shù)顯裝置，有一個能夠放置工件的工作臺（大型和巨型不一定有），測量球頭可以手動或機動方式輕快地移動到被測點上，由讀數(shù)設備和數(shù)顯裝置把被測點的坐標值顯示出來的一種測量設備。任意一點的坐標值都可通過讀數(shù)裝置和數(shù)顯裝置顯示出來。測量機的測量裝置是測頭，在沿X，Y，Z三個軸的方向，通過測頭接觸工件并發(fā)出接觸信號時，由控制系統(tǒng)采集當前坐標位置相對于機床原點的坐標值，再由計算機系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)。

三坐標測量機對孔位的測量是基于兩點一線原理：通過測量球頭來測量孔位不同深度的兩個位置的圓心位置作為基點，兩點的連線即為實際孔的軸線，在測量部門，由三坐標測量機通過測量程序測量加工出來的孔位，并通過計算圓心，得出實際孔的中心。endprint

以圖3中的三個定位銷孔的圓心建立基準，孔1、2連線為X軸，孔3在X軸的投影為原點，Z0在底板的上表面。測量部門根據(jù)測量計劃進行測量，并輸出測量報告。根據(jù)測量報告，將測量孔位數(shù)據(jù)進行整理，在CATIA的“Digitized Shape Editor”模塊下，以.CGO格式將點位數(shù)據(jù)導入CATIA中，使用“Deviation Analysis”命令，與理論軸線相對比。如圖4所示。

通過計算分析，得到有色溫偏差帶，顏色越深，代表偏差越大：其中，超差的點占28%左右，超差最大的點與理論軸線偏了0.165。通過分析超差點位發(fā)現(xiàn)，孔位的偏差并不具有規(guī)律性，在四塊鉆模板上的孔均有局部超差。必須要進行超差孔的修正，以使其滿足設計需求。

4 返修處理

一般對于孔位超差的夾具有兩種返修方式：

4.1 返修基準

如圖5所示，當孔為出現(xiàn)整體超差現(xiàn)象，且孔位的偏差方向一致，超差較為均勻，可以判斷加工時候零件可能移位，或者是測量基準出現(xiàn)偏差。可通過返修基準的方式來解決。此種方式對于孔位較多的夾具返修，具有很好的效果，減小了返修工作量，提高效率。

4.2 返修超差孔

當局部孔位出現(xiàn)超差時，如果想要通過移動基準的方式返修，可能會造成未超差的孔位超差，因此，可以針對超差孔來進行單獨返修。

4.3 綜合返修

當超差孔位較多，且方向和超差量不均勻時，可以考慮采取兩者綜合的方式進行返修，即通過移動基準，是大部分的孔位值在公差范圍內(nèi)，局部超差孔位單獨返修，此種方法適用于孔分布方向較為單一的夾具，且需借助CATIA的模塊“Digitized Shape Editor”里的最佳擬合“Align by Best Fit”及“Deviation Analysis”命令來進行分析和對比，過程較為復雜。

針對本文所舉例夾具的結(jié)構(gòu)特點，在四周的鉆模板都有孔位超差，且方向不一致，靠移動基準來使超差孔滿足設計公差不現(xiàn)實，因此采取單修超差孔的方式進行返修。

即以3個銷釘孔建立加工基準，將需要返修的孔位在數(shù)模上標記出來，然后編制超差孔加工程序，將超差孔孔徑擴大，保證孔位。然后配做襯套，外徑以實際尺寸配磨，內(nèi)徑以理論的導孔磨出，最后以緊配合的方式鑲套。

返修后測量結(jié)果如圖6所示：孔位均在公差要求范圍內(nèi)，符合設計要求。

5 總結(jié)

通過本夾具的制造工藝過程，思考、總結(jié)了如下幾個方面的問題：

圖6

作為工藝人員，需要具備的基本能力：

1）看懂圖紙設計意圖，明白工裝的功能，并能對設計過程中存在的問題進行分析和總結(jié)。

就本夾具而言，鉆模板的厚度在滿足設計強度要求的情況下，設計過厚：

（1）會造成材料的浪費，與設計經(jīng)濟性原則不符合；

（2）會增加制造工藝過程的難度和制造成本，與制造工藝性的簡單易操作不符合；

（3）夾具的重量過大，在使用過程中增加使用者勞動強度，即從人機工程學角度上不符合。

2）在制造工藝過程中：

（1）要弄清楚設計的目的、工裝的功能，這樣才能保證制造結(jié)果滿足設計功能要求；

（2）要根據(jù)現(xiàn)場設備的加工能力及操作人員的技能水平，合理安排工藝過程；

（3）要嚴格控制工藝過程，加工精度要求高的工序過程實現(xiàn)可管控。

（4）要能夠及時解決現(xiàn)場出現(xiàn)的各種技術(shù)問題。

3）在測量分析過程中：

（1）讀懂測量數(shù)據(jù)；

（2）針對測量數(shù)據(jù)超差值部分進行分析，判斷可能存在的原因：是工藝過程不合理、還是現(xiàn)場操作人員的問題、抑或是設計不合理造成的？

（3）根據(jù)分析的原因制定工裝返修方案；

因此，設計是制造的基礎，一個好的設計必須在滿足使用要求的情況充分的考慮制造的可行性和加工的工藝性。如果一味的提高要求，或者在設計的過程中某些地方不合理，就會增加加工的困難，還會使得產(chǎn)品的不合格率提高，影響工廠效率，增加了生產(chǎn)成本。所以，產(chǎn)品的設計人員必須要有過硬的理論知識，但同時也要有充分的現(xiàn)場經(jīng)驗，這樣在設計的過程中才能做到“瞻前顧后”。

工藝是一個承上啟下的崗位：上至設計，下至現(xiàn)場操作和現(xiàn)場質(zhì)量控制都必須要有工藝的銜接。如何將頂層設計的思路轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場的工藝？這要求我們必須要認真閱讀圖紙，而且必須要理解并讀透圖紙。在技術(shù)要求的傳遞過程當中工藝員應該充分使得過程簡單、優(yōu)化。然而，一個好的工藝員必須要有經(jīng)驗的積累過程，所以平時需要多深入現(xiàn)場，汲取經(jīng)驗，才能使編出的工藝在實際加工中得到較好的運用，不能光紙上談兵。在制造行業(yè)，我們必須保持一貫的良好作風，腳踏實地，努力勤奮。只有不斷的學習，總結(jié)經(jīng)驗，相互探討，將理論和實踐相互結(jié)合，才能在制造的這條道路上越走越順，才能夠成為一名合格的制造工程師。

【參考文獻】

[1]江繼波.《上海交通大學碩士論文》，HW公司柔性制造策略研究，2008.06.01.

[2]機械設計手冊（電子版）電子工業(yè)出版社中國機械工程學會，2007（1）.

[3]汪建紅，丁建波，鄧昌義，李俊，衛(wèi)昭新.核燃料組件骨架全自動測量設備研制，《自動化與儀器儀表》，2013.01.25.

[4]賀東波.論三坐標測量機的測量數(shù)據(jù)誤差分析與改正《計量與測試技術(shù)》，2011.06.30.endprint