弧面類工件加工輔助治具的設(shè)計(jì)與制作

韓瑋杰 韓樹標(biāo) 孫宇

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司煤峪口礦，山西大同，037041）

1 引言

目前，煤峪口礦機(jī)分廠鉗工車間使用的各型號通用機(jī)床均為全手動(dòng)操作的普通機(jī)床，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)時(shí)機(jī)床鉆頭、刀頭的定位與對準(zhǔn)只能依靠肉眼觀察配合通用夾具完成，當(dāng)被加工工件存在圓弧面、圓錐面或者類球面（圖1、圖2、圖3）等曲面時(shí)，由于肉眼觀察存在誤差或工件未被夾緊而導(dǎo)致最終加工的成品誤差較大甚至報(bào)廢，使得鋼材原材料損耗，加工用的刀具折損也較為嚴(yán)重，同時(shí)由于大量的工件需要其他車間聯(lián)合加工，一道工序出現(xiàn)問題會(huì)導(dǎo)致其他車間的工時(shí)浪費(fèi)。

圖1 圓弧面工件示例圖

圖2 圓錐面工件示例圖

圖3 類球面工件示例圖

本文針對機(jī)分廠鉗工車間的實(shí)際情況，并應(yīng)用專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)知識[1-2]，設(shè)計(jì)了一套輔助治具，用于在機(jī)床加工工序之前對帶有曲面的工件進(jìn)行劃線打樣，提供一個(gè)機(jī)床加工工序時(shí)的校對標(biāo)準(zhǔn)，提升加工精度和加工效率。

2 輔助治具制作

2.1 設(shè)計(jì)原理

使用搖臂鉆床、銑床等通用機(jī)加工設(shè)備加工帶有曲面的工件時(shí)，若觀察定位工件帶來的誤差過大或者在加工過程中被加工工件發(fā)生了位移或者旋轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致加工工件最終尺寸超出誤差允許極限。若能為待加工的工件添加一些明顯可見的標(biāo)記，則當(dāng)被加工工件在加工過程中發(fā)生較大位移時(shí)，工件位移量可以被觀察到，從而進(jìn)行修正，控制加工誤差，防止報(bào)廢件的產(chǎn)生。添加的標(biāo)記可在加工之前用于定位被夾緊工件，校核工件是否對齊或水平，還可以被用作尺寸邊界的標(biāo)識。當(dāng)工件的加工工藝中存在加工孔時(shí)，標(biāo)記的形式可由線標(biāo)記變更為凹點(diǎn)標(biāo)記，這種標(biāo)記形式有利于使用鉆床加工時(shí)鉆頭定位，當(dāng)鉆頭定位誤差過大時(shí)，凹點(diǎn)標(biāo)記與鉆頭中心的相對位置關(guān)系可以被用于手動(dòng)修正誤差。

為了給存在曲面的工件添加定位標(biāo)記，首先需要將工件固定。存在加工曲面的工件發(fā)生位移的本質(zhì)是自由度較大。自由度決定構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，自由度越大構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形式就越復(fù)雜。為了盡可能減少待加工工件的自由度，限制添加標(biāo)記時(shí)工件的運(yùn)動(dòng)量，本設(shè)計(jì)借鑒機(jī)床夾具設(shè)計(jì)理念，通過方槽、斜口槽與孔實(shí)現(xiàn)對帶有加工圓弧面、加工圓錐面與加工球面的工件的固定，減少待劃線工件的自由度，輔助給待加工的工件高效、高精度地添加定位標(biāo)記。

其中，斜口槽用于固定帶有圓錐面的待劃線工件；方槽用于固定帶有圓柱面的待劃線工件；孔用于固定帶有球面的待劃線工件。示意圖如下。

圖4 斜口槽固定板示意圖

圖5 方槽固定板示意圖

圖6 孔固定板示意圖

2.2 尺寸設(shè)計(jì)

首先需要確定示意圖中斜口槽的長寬和斜邊相對于軸線的斜度，方槽的長寬，以及孔的內(nèi)部半徑。要實(shí)現(xiàn)對帶有曲面的待劃線工件的固定，開槽的尺寸應(yīng)當(dāng)契合工件的尺寸。根據(jù)加工量較大的工件的幾何數(shù)值參考實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)，斜口槽小端的尺寸選擇為8 mm、14 mm、20 mm、30 mm、40 mm；斜口槽的斜邊相對于中軸線的斜度選定為1:6 和1:10。方槽的內(nèi)部寬度與斜口槽小端的尺寸相同。兩種開槽內(nèi)端與外端的垂直距離選定為60 mm?？椎膬?nèi)部半徑數(shù)值除了與斜口槽小端的尺寸相同的值以外，額外增加一個(gè)60 mm 的大孔用于配合較大的工件使用。

接下來需要確定工具的基板厚度。如圖7 所示，根據(jù)數(shù)值關(guān)系可得h=R（1-cos α）。對于斜口槽來說，由于h 的數(shù)值正比于其所在位置與斜口槽小端的距離，為了保證待劃線或打樣的工件固定在斜口槽內(nèi)不被工作臺干涉，要求成品板材的厚度要大于圖中的h 的最大值；對于方槽要保證待劃線或打樣的工件固定在方槽內(nèi)不被工作臺干涉，成品板材的厚度要大于圖中h；對于孔來說，要保證待畫樣或打樣的工件固定在孔內(nèi)不被工作臺干涉，成品板材的厚度也應(yīng)大于圖中h。本車間加工工件的R 值大部分在20 mm～50 mm，少部分為特大件；根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，半頂角α 取值在20°～40°時(shí)可獲得精度和易用性均衡。經(jīng)過不等式運(yùn)算可得h取值為1.2 mm～12 mm，上下限數(shù)值差距為一個(gè)數(shù)量級，故對上下限數(shù)值取均方根，約為4 mm。考慮到本工具需要在一定程度上適應(yīng)特大件的加工，同時(shí)應(yīng)避免使用過厚的鋼板板材導(dǎo)致質(zhì)量過大不方便移動(dòng)，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，板材厚度最終選定為5 mm。

圖7 尺寸計(jì)算示意圖（剖面視圖）

本設(shè)計(jì)中，同一板上的槽或孔之間不存在相互關(guān)系，也不需考慮配合與公差，因此孔和槽的相對位置沒有精度要求，只需保證工具本身的強(qiáng)度和可加工性。成品的長寬可靈活選擇。由于設(shè)計(jì)并非高速運(yùn)動(dòng)或高精度部件，加工成本低，故不做ANSYS有限元模擬。

確定尺寸后的零件圖如下。

圖8 斜口槽固定板零件圖

圖9 孔固定板零件圖

2.3制作工藝

該治具主要用于在機(jī)加工工序之前輔助固定帶有曲面的工件，方便劃線打樣的進(jìn)行，設(shè)計(jì)內(nèi)包含的孔和斜面起主要的固定作用。工作工況為低強(qiáng)度的沖擊載荷，尺寸精度要求較低，考慮到成本因素，毛坯材料選擇為5 mm 熱軋鋼板。本設(shè)計(jì)需要加工的表面有槽固定板的內(nèi)表面和孔固定板的內(nèi)表面。

毛坯件的制作工藝分為兩步，第一，從整塊的型材上切下需要的小塊料件。第二，粗切斜口槽和方槽。切割流程使用乙炔焊進(jìn)行。此步驟產(chǎn)生的5 mm 厚鋼板如果存在可見的彎曲變形則該毛坯件需要做壓力修復(fù)或做報(bào)廢處理。

由于治具并非用于工件的精確定位，故基準(zhǔn)面選定為切割后的毛坯件上下兩個(gè)大面中較為平整的那個(gè)表面。

槽內(nèi)表面的垂直側(cè)面首先加工，加工方式為槽銑刀配合塊規(guī)加工。接下來加工剩下的垂直面，加工方式為槽銑刀加工?？椎募庸な褂寐榛ㄣ@頭進(jìn)行[2]。當(dāng)具有線切割生產(chǎn)條件時(shí)，兩塊開槽板也可使用線切割方式加工以提升精度。

3 應(yīng)用效果

自該治具投入使用以來，工件加工的成品率有了提高，工作效率也有所提升。根據(jù)對近四個(gè)月的加工任務(wù)（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1），參考之前的生產(chǎn)加工任務(wù)量以及其他機(jī)加工行業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)估平均每個(gè)月可節(jié)約材料損耗、工時(shí)損耗約5 千元。再考慮到因不合格件、報(bào)廢件造成的進(jìn)度拖延和其他各類影響，預(yù)估本成果的年節(jié)約成本約為10萬元。

表1 近4個(gè)月的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

本套治具提升了車間的加工質(zhì)量，減少了加工成本，具有一定的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)可將本套治具應(yīng)用到其他機(jī)加工單位，具有一定的借鑒價(jià)值。

該套治具在設(shè)計(jì)時(shí)確定的尺寸為適用于本單位的尺寸，其他單位使用時(shí)可參考自己單位的實(shí)際情況增刪或者修改孔和槽的尺寸?；宓牟牧峡梢愿鼡Q為硬度、韌性更好的鋼材以輔助大型工件的加工，延長治具的使用壽命。