噴油環(huán)微孔加工快換工裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

■ 沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司工裝制造廠 （遼寧 110043） 羅 敏 申玉萍 胡東清

I區(qū)噴油環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)六路總管之一，采用逆噴方式，前方有擋油板，燃油從噴油環(huán)噴出之后打到擋油板上，進(jìn)行蒸發(fā)霧化。噴油環(huán)由中心直徑680mm的薄壁環(huán)管、螺紋接頭、三通接頭及進(jìn)油管組件焊接形成，環(huán)管上均布了24個(gè)φ0.56mm的噴油孔，提高噴油孔的加工精度，可使總管的燃油分布均勻，提高加力燃燒室的效率，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)總管的使用壽命。

1. 噴油環(huán)技術(shù)要求及加工中存在的問題

噴油環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，環(huán)管的中心平面為水平基準(zhǔn)D，進(jìn)油管為角向基準(zhǔn)K，噴油孔對(duì)基準(zhǔn)D及基準(zhǔn)K的位置度要求≤1mm，各孔的流量不均勻性要求≤5%。由于噴油環(huán)為薄壁彈性件且直徑尺寸公差大，整體焊接后變形量大，圓度及平面度不易控制，在自由狀態(tài)下變形量更大，無(wú)法形成穩(wěn)定的定位基準(zhǔn)，因此電火花加工噴油孔過程中，噴油環(huán)無(wú)法準(zhǔn)確安裝定位，導(dǎo)致按照噴油環(huán)的理論位置編程打孔時(shí)，60%的孔位置偏離中心，偏離大時(shí)個(gè)別孔打不到環(huán)管上。因此，一直以來(lái)噴油環(huán)的噴油孔加工前，先利用人工劃線的方法劃出孔的中心點(diǎn)位置，再逐個(gè)找正劃線點(diǎn)進(jìn)行電火花打孔，由于孔徑只有0.56mm，對(duì)操作人員的技能要求高，受人為因素影響大，綜合上述各種因素，導(dǎo)致加工后的噴油孔的尺寸精度和位置精度無(wú)法保證，從而影響流量試驗(yàn)準(zhǔn)確性及噴油均勻度，以致在后續(xù)流量試驗(yàn)過程中需要反復(fù)修孔。另外，由于進(jìn)油管是打孔的基準(zhǔn)之一，但加工進(jìn)油三通兩側(cè)的孔時(shí)電極夾頭與進(jìn)油管干涉，因此打24個(gè)噴油孔分為兩個(gè)工序，在焊接進(jìn)油管之前先加工進(jìn)油三通兩側(cè)各3個(gè)孔，焊接進(jìn)油管之后再加工其余噴油孔，期間零件需要在兩個(gè)工段間周轉(zhuǎn)，加工精度和生產(chǎn)效率相對(duì)較低。

圖1 噴油環(huán)結(jié)構(gòu)圖

為解決上述問題，重新對(duì)噴油環(huán)工藝路線進(jìn)行了梳理，通過控制導(dǎo)管管料長(zhǎng)度來(lái)確保制造出的總管直徑的一致性，在專用工裝上劃切端線，將環(huán)管的展開長(zhǎng)度公差控制在1mm之內(nèi)，直徑公差就控制在0.3mm之內(nèi)。噴油環(huán)上的9處螺紋接頭焊接后對(duì)平面度影響很大，采用對(duì)稱焊接的方法，焊后經(jīng)輕微校正以減少焊接變形。同時(shí)改變噴油環(huán)逐孔劃線、找正及打孔的傳統(tǒng)工藝方法，設(shè)計(jì)帶有零點(diǎn)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)座及與之相配使用的高效快換工裝，實(shí)現(xiàn)噴油環(huán)的準(zhǔn)確定位，通過數(shù)控機(jī)床編程加工24個(gè)噴油孔，從而解決噴油環(huán)劃線打孔、分兩次加工等問題，提高零件的打孔精度和加工效率。

2. 零點(diǎn)定位快換工裝的優(yōu)點(diǎn)

早在20世紀(jì)60～70年代，國(guó)外就開始推廣應(yīng)用“1min換裝”技術(shù)，快換工裝利用零點(diǎn)定位系統(tǒng)、快換托盤及快換夾具實(shí)現(xiàn)工裝夾具與機(jī)床之間的快速定位和夾緊，減少機(jī)械加工中的輔助時(shí)間，其優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）零點(diǎn)定位系統(tǒng)具有誤差自動(dòng)找正功能，定位接頭可以任意角度插入定位器，減輕了工人將定位接頭對(duì)準(zhǔn)定位器的找正工作量。

（2）零點(diǎn)定位系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)特的定位和鎖緊裝置，能保持工件在工序間及機(jī)床間變換時(shí)零點(diǎn)始終保持不變，可以節(jié)省重新找正零點(diǎn)的輔助時(shí)間，保證工作連續(xù)性。

（3）零點(diǎn)定位系統(tǒng)的重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.005mm，最大夾持質(zhì)量可以達(dá)到10.4t，夾具換裝時(shí)間由30min縮短為2min，零件加工精度可以大大提高。

（4）被加工零件可以實(shí)現(xiàn)離線裝夾和找正，機(jī)床幾乎沒有空轉(zhuǎn)時(shí)間，機(jī)床使用效率大大提高。

（5）零點(diǎn)定位系統(tǒng)可以使用液壓系統(tǒng)也可以使用氣壓系統(tǒng)，0.45MPa的氣壓系統(tǒng)可以直接利用工廠的氣源，使用非常方便。

3. 帶零點(diǎn)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)座設(shè)計(jì)方案

基礎(chǔ)座是機(jī)床與夾具間的連接裝置，通過基礎(chǔ)座上的零點(diǎn)定位器，可以實(shí)現(xiàn)夾具的快速精確安裝與更換，節(jié)省夾具的安裝、找正等輔助時(shí)間?；A(chǔ)座設(shè)計(jì)既考慮了噴油孔加工的電火花設(shè)備，同時(shí)也兼顧了工廠的加工中心設(shè)備，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)座可以在上述設(shè)備間通用。經(jīng)過對(duì)設(shè)備參數(shù)及加工零件的綜合分析，同時(shí)了解前期零點(diǎn)定位快換系統(tǒng)在公司的制造與應(yīng)用情況，選擇了氣壓解鎖的法蘭安裝型零點(diǎn)定位器，這種定位器裝配和調(diào)整方便，安裝高度更低，制造精度容易保證；同時(shí)，該定位器通過彈簧力進(jìn)行機(jī)械鎖緊，氣壓解鎖，解鎖壓強(qiáng)只要0.45MPa，符合工廠的動(dòng)力源要求。

考慮到零件加工的尺寸范圍，基礎(chǔ)座在不同設(shè)備間的通用性，基礎(chǔ)座設(shè)計(jì)為方形，基礎(chǔ)座上設(shè)計(jì)了5個(gè)零點(diǎn)定位器，保證了基礎(chǔ)座與打孔夾具既有較高的定位精度又有足夠的拉緊力，中心1處用于定心，其余4處沿φ410mm圓周均布，5個(gè)零點(diǎn)定位器的平面度要求≤0.005mm，對(duì)底面的垂直度及相互間的位置度≤0.01mm?；A(chǔ)座的底面設(shè)計(jì)有φ60mm的心軸，心軸與電火花數(shù)控機(jī)床臺(tái)面的中心孔小間隙配合，最大間隙≤0.02mm，使機(jī)床的中心軸線與基礎(chǔ)座的中心軸線重合，適用于噴油環(huán)的分度打孔?；祥_有4個(gè)與設(shè)備安裝的螺釘孔窩，既可以用T形槽螺釘壓緊，又可以用壓板壓緊，可滿足不同設(shè)備的安裝要求。

零點(diǎn)定位器結(jié)構(gòu)如圖2所示，為鋼球自鎖安裝系統(tǒng)，滾珠從三個(gè)方向被裹夾，所以定位銷得以穩(wěn)固的鎖緊在定位器中，此系統(tǒng)與其它方法相比有鎖緊容易、反應(yīng)速度快及定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，鎖緊結(jié)構(gòu)為機(jī)械鎖緊，氣壓解鎖，強(qiáng)力的碟形彈簧保證了最大的鎖緊力和拉緊力。使用時(shí)通過基礎(chǔ)座上的通氣閥對(duì)基礎(chǔ)座內(nèi)部進(jìn)行加壓，通過氣壓驅(qū)動(dòng)安裝在基礎(chǔ)座上的5個(gè)鎖緊套，當(dāng)氣壓達(dá)到鎖緊套解鎖壓強(qiáng)后，鎖緊球在內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)作用下自動(dòng)由中心向四周移動(dòng)，釋放鎖緊套中心空間，然后將夾具定位接頭插入快換基礎(chǔ)座定位孔內(nèi)，確保定位銷完全進(jìn)入后停止供氣，釋放快換基礎(chǔ)座內(nèi)氣壓達(dá)到普通大氣壓后，快換基礎(chǔ)座內(nèi)的定位鎖緊套結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，使定位鎖緊球自動(dòng)移向中心，鎖死定位接頭，定位夾具。

4. 噴油環(huán)打孔夾具設(shè)計(jì)方案

根據(jù)噴油環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合噴油環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的裝配狀態(tài)，打孔夾具以環(huán)管的底面作為平面定位基準(zhǔn)，以環(huán)管的內(nèi)圓作為徑向定位基準(zhǔn)，以進(jìn)油管為角向定位基準(zhǔn)，夾具的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。為消除焊接變形對(duì)打孔的影響，打孔夾具采用楔式定心脹緊機(jī)構(gòu)。8個(gè)脹緊定位塊組成一個(gè)圓環(huán)，相互之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，利用脹緊定位塊與錐體錐面的相對(duì)移動(dòng)，使脹緊定位塊同時(shí)等速移近或離開，從而達(dá)到定心脹緊噴油環(huán)的目的，消除管路彎曲、焊接時(shí)的變形，均分工件公差，提高噴油環(huán)的定位精度。零點(diǎn)接頭與基礎(chǔ)座的零點(diǎn)定位器相配合，實(shí)現(xiàn)夾具的快速換裝。

圖2 基礎(chǔ)座及零點(diǎn)定位器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 噴油環(huán)打孔夾具結(jié)構(gòu)示意圖

底座是夾具的基礎(chǔ)部件，其它各個(gè)零件以一定的裝配關(guān)系有機(jī)地組裝在底座上，并通過底座下基準(zhǔn)面與基礎(chǔ)座零點(diǎn)定位器表面接觸，底座的上基準(zhǔn)面與噴油環(huán)的環(huán)管基準(zhǔn)平面接觸，對(duì)噴油環(huán)起定位支承作用，利用壓板壓緊噴油環(huán)。底座的平面度要求≤0.01mm，以滿足噴油孔最終的垂直度要求。

脹緊機(jī)構(gòu)既起定位作用又起壓緊作用，脹緊機(jī)構(gòu)采用楔式脹緊，設(shè)計(jì)有8個(gè)脹緊定位塊、在導(dǎo)向板和底座形成的滑道間滑動(dòng)。螺母裝配在錐體槽中，兩者同時(shí)運(yùn)動(dòng)。脹緊機(jī)構(gòu)的工作原理：用扳手?jǐn)Q緊螺母，螺母在轉(zhuǎn)矩的作用下帶動(dòng)錐體向下運(yùn)動(dòng)，并使8個(gè)脹緊定位塊同時(shí)等速?gòu)较蛳蛲膺\(yùn)動(dòng)，從而脹緊被加工零件的內(nèi)徑。脹緊定位塊分8塊（脹緊定位塊數(shù)量要根據(jù)被加工零件直徑相應(yīng)增加或減少），沿底座和導(dǎo)向板之間的滑道滑動(dòng)。導(dǎo)向板用螺釘和銷子裝配到底座上，兩件之間構(gòu)成60H7/f7、12H7/f7的滑道。松開螺母，螺母帶動(dòng)錐體向上運(yùn)動(dòng)，彈簧彈開，推動(dòng)8個(gè)脹緊定位塊回退，與被加工工件的內(nèi)徑分開，可以將零件取出。由于噴油環(huán)是薄壁管件，為防止力矩過大將零件脹變形，在底座上設(shè)計(jì)限位孔，與脹緊定位塊的限位外圓相配，當(dāng)脹緊定位塊脹到噴油環(huán)的理論位置時(shí)，定位塊限位外圓與限位孔接觸，定位塊停止運(yùn)動(dòng)，可以保證每次加工中脹緊量一致，保證噴油孔加工的一致性。夾具通過定位銷定位進(jìn)油管內(nèi)孔，實(shí)現(xiàn)噴油環(huán)的角向定位。

夾具設(shè)計(jì)有5個(gè)零點(diǎn)定位接頭，通過這5個(gè)接頭與基礎(chǔ)座的5個(gè)零點(diǎn)定位器相配，實(shí)現(xiàn)夾具與基礎(chǔ)座的快速安裝，其位置與基礎(chǔ)座的5個(gè)零點(diǎn)定位器一致，定中心的定位接頭限制X、Y方向的自由度，并作為參考基點(diǎn)，對(duì)底座基準(zhǔn)面的垂直度要求≤0.01mm；角向定位的單向接頭只限制旋轉(zhuǎn)方向的自由度，對(duì)定位接頭的位置度要求≤0.01mm；緊固接頭只起增加夾緊力的作用，用以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)座與打孔夾具的固緊，對(duì)定位接頭的位置度要求≤0.03mm。

5. 噴油環(huán)打孔快換工裝的應(yīng)用及效益

快換工裝應(yīng)用時(shí)，首先將基礎(chǔ)座安裝在數(shù)控電火花機(jī)床上，找正零點(diǎn)定位器的內(nèi)孔及端面，確定機(jī)床編程的零點(diǎn)及坐標(biāo)系，將打孔夾具上的零點(diǎn)接頭與基礎(chǔ)座上的零點(diǎn)定位器大致對(duì)齊，快速安裝好夾具，將快換基礎(chǔ)座的進(jìn)氣閥門與供風(fēng)系統(tǒng)相連，打開空氣閥，待快換基礎(chǔ)座上的鋼球自鎖系統(tǒng)完全打開后，將夾具向快換基礎(chǔ)座方向推入，使快換基礎(chǔ)座與夾具上的鋼球自鎖系統(tǒng)緊密配合，斷開進(jìn)氣閥門與供風(fēng)系統(tǒng)的連接，待快換基礎(chǔ)座內(nèi)氣壓降至額定壓力后，鋼球自鎖系統(tǒng)完全鎖死，夾具固定完成，夾具與快換基礎(chǔ)座的連接及定位靠5處零點(diǎn)定位系統(tǒng)完成，不需要找正及壓緊過程。

與普通打孔工裝相比，使用零點(diǎn)定位系統(tǒng)的快換工裝，工裝裝夾和找正時(shí)間由30min減少到5min，基礎(chǔ)座首次安裝找正后，再次安裝在設(shè)備上無(wú)需找正，直接加工，可以實(shí)現(xiàn)離線安裝，占用設(shè)備時(shí)間僅為5min左右，減少了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，提高了設(shè)備的利用率，定位精度達(dá)到0.01mm以內(nèi)。

應(yīng)用快換工裝加工噴油環(huán)的噴油孔，實(shí)現(xiàn)了孔的數(shù)控自動(dòng)化加工，取消了劃線打孔工序，消除了人為因素影響，通過楔式定心脹緊機(jī)構(gòu)定位脹緊噴油環(huán)薄壁管件的內(nèi)徑，對(duì)噴油環(huán)進(jìn)行校圓，消除了管路彎曲、焊接時(shí)的變形，提高了定位精度，一次找正就可以完成整圈24個(gè)噴油孔的加工，孔的一致性較好，提高了噴油環(huán)噴油孔的加工精度和加工效率。通過設(shè)計(jì)直徑更小的電極夾頭，解決了噴油環(huán)的兩次打孔問題。

6. 結(jié)語(yǔ)

零點(diǎn)定位快換工裝在噴油環(huán)打孔中的應(yīng)用，校正了管路彎曲、焊接時(shí)的變形，提高了噴油孔的加工精度和加工效率，實(shí)現(xiàn)了噴油環(huán)的無(wú)干預(yù)數(shù)控加工，從而提高了噴油環(huán)噴油方向的準(zhǔn)確性，噴油均勻度好，減少了孔的修正量，提高加工效率5倍以上，產(chǎn)品合格率達(dá)100%，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低80%。

應(yīng)用零點(diǎn)定位快換工裝的效益是多方面的，直接的效益是提高了工裝的換裝效率，增加了設(shè)備的有效工時(shí)，實(shí)現(xiàn)了離線裝夾，使零件的加工和裝夾同時(shí)進(jìn)行，大大提高了零件加工的工作效率，使零件的加工工藝和生產(chǎn)模式產(chǎn)生了重大變化，精密的定位精度和快速裝夾可減少零件的裝夾次數(shù)，提高零件的加工效率與精度，縮短機(jī)械加工中的輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)更換加工產(chǎn)品的需求，為實(shí)現(xiàn)敏捷制造、柔性生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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