扭力臂零件柔性數(shù)控夾具設(shè)計方案

■ 中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 （陜西漢中 723200） 胡阿林 樊智敏 姚志強(qiáng)

現(xiàn)階段，我國數(shù)控加工技術(shù)仍處于較低水平，雖然數(shù)控加工設(shè)備在不斷更新?lián)Q代，設(shè)備本身的加工能力有了很大提升，同時大量采購的進(jìn)口先進(jìn)刀具也提高了切削效率，但這些仍然不能滿足企業(yè)對數(shù)控加工效率的提升需求，具體表現(xiàn)在工藝技術(shù)水平低，配套的工藝裝備仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，零件的定位裝夾、找正及工裝夾具與機(jī)床的聯(lián)接等環(huán)節(jié)消耗了大量生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，直接造成設(shè)備利用率低下、產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長等現(xiàn)狀。

隨著飛機(jī)研制型號的不斷增加，各種型號的起落架產(chǎn)品零件研制生產(chǎn)高度交叉，對產(chǎn)品的按期交付提出了巨大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備條件下，要順利完成產(chǎn)品的數(shù)控加工任務(wù)，考慮到機(jī)床設(shè)備本身及數(shù)控刀具的加工能力一定，那夾具對機(jī)床的有效使用率就起到?jīng)Q定性的影響?；跀?shù)控加工生產(chǎn)線，傳統(tǒng)的一對一夾具專用性太強(qiáng)，設(shè)計制造周期長，而且無快速換型的統(tǒng)一接口，已無法適應(yīng)同一生產(chǎn)線內(nèi)不同型號產(chǎn)品的快速換型加工。為了解決多型號零件能在同一生產(chǎn)線上快速換型問題，以起落架上的扭力臂零件作為突破口，通過在數(shù)控加工機(jī)床上對工裝定位方式進(jìn)行改革，布置零點(diǎn)定位點(diǎn)，設(shè)計通用的夾具托盤及孔系基礎(chǔ)板，不同零件夾具定位件則以模塊化方式與孔系基礎(chǔ)板聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)扭力臂零件在線外進(jìn)行定位裝夾，裝夾好的零件通過夾具托盤由機(jī)器人運(yùn)送至生產(chǎn)線內(nèi)與零點(diǎn)快速聯(lián)接，而下一個零件則可繼續(xù)在線外進(jìn)行裝夾。

通過調(diào)查研究，零點(diǎn)定位系統(tǒng)在汽車制造行業(yè)已得到成熟應(yīng)用，并在航空零件生產(chǎn)線上得到了初步使用，說明改進(jìn)的方向是正確的。這就需要設(shè)計一種柔性組合夾具方案，一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化程度很高的工藝裝備。在工裝具體方案設(shè)計上通過學(xué)習(xí)并掌握先進(jìn)定位壓緊技術(shù)，以組合夾具模式為基本思路，探索工裝夾具的模塊化、柔性化設(shè)計方法，以適應(yīng)多品種、大批量相似零件的數(shù)控在線加工需求，從而實(shí)現(xiàn)減少零件的裝夾、找正輔助時間和提高數(shù)控機(jī)床利用率的目標(biāo)。

1. 可行性分析

針對典型零件進(jìn)行柔性組合夾具定位夾持技術(shù)及快速定位技術(shù)研究，突破傳統(tǒng)剛性工裝的機(jī)械手動定位、壓緊方式，實(shí)現(xiàn)高效、柔性工裝設(shè)計與數(shù)控機(jī)床及生產(chǎn)線自動控制技術(shù)的集成，掌握數(shù)控加工過程中零件在夾具及機(jī)床工作臺上的快速定位聯(lián)接，減少零件在機(jī)床裝夾、找正及夾具間轉(zhuǎn)換的輔助時間，提高數(shù)控機(jī)床主軸切削效率等問題，單靠企業(yè)技術(shù)人員無法完成所有工作，所以考慮聯(lián)合專業(yè)廠所一起完成。利用專業(yè)廠所技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)合研制開發(fā)快速定位組合夾具結(jié)構(gòu)，參與并掌握工裝夾具的模塊化、柔性化設(shè)計方法，逐步實(shí)現(xiàn)工裝的快速準(zhǔn)備，這種模式在目前已是一種趨勢，也是完全可行的。

2. 柔性夾具設(shè)計方案

為了適應(yīng)多型號同時研制的生產(chǎn)格局，既要保證產(chǎn)品質(zhì)量，又要保證研制周期，除了在工藝流程上想辦法提高加工效率，還要在工裝快速準(zhǔn)備、縮短產(chǎn)品換型時間上下功夫。針對本公司數(shù)控加工設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計改進(jìn)現(xiàn)有工裝夾具的定位壓緊方式，采用更快速方便的定位壓緊結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合組合夾具設(shè)計方法，并兼顧外形相近零件的柔性化夾具組合結(jié)構(gòu)，解決扭力臂類零件在夾具及機(jī)床工作臺上的快速定位、夾緊，減少零件的裝夾、找正輔助時間，提高數(shù)控機(jī)床利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

首先在零件的孔定位方式上設(shè)計了圖1所示的脹開心軸結(jié)構(gòu)，這是一種彈性定心夾緊結(jié)構(gòu)的改良，其特點(diǎn)是夾緊行程小，定心精度高，同時起到定位和夾緊作用。脹開心軸結(jié)構(gòu)在定位時消除了配合間隙，提高了定位精度，使零件切削過程更平穩(wěn)，有助于提高加工質(zhì)量。

圖1 脹開心軸

另一方面，在夾具的定位座設(shè)計上采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，夾具定位座在孔系基礎(chǔ)板上按照被加工零件的工藝尺寸組合定位，并用螺釘及脹銷與基礎(chǔ)板聯(lián)接，如圖2所示。圖示左側(cè)的為兩個固定定位座，右側(cè)的為活動定位座，可以在軸向調(diào)整位置。

圖2 模塊化定位座結(jié)構(gòu)及組合

設(shè)計方案中的夾具基礎(chǔ)板采用配合孔式精密孔系基礎(chǔ)板，為矩陣式結(jié)構(gòu)，相鄰定位孔孔距公差為±0.01mm，保證了夾具模塊組合的精度。為了實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)線零件的線外裝夾，設(shè)計員對夾具進(jìn)行了夾具托盤化改造，將每個夾具都安裝聯(lián)接到托盤上，在夾具孔系基礎(chǔ)板底部配備了自動生產(chǎn)線夾具托盤，并用精密球鎖與之固連，如圖3所示。精密球鎖為外購成品件，其重復(fù)定位精度確保±0.013mm以內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 孔系基礎(chǔ)板與托盤的聯(lián)接

圖4 球鎖結(jié)構(gòu)原理

同時，如圖5所示，在托盤底部布置有與機(jī)床零點(diǎn)快速聯(lián)接的零點(diǎn)定位接頭，實(shí)現(xiàn)了工裝夾具與機(jī)床之間的快速定位和夾緊，減少了機(jī)械加工中的輔助時間。這樣一來，機(jī)床幾乎沒有空轉(zhuǎn)的時間，其使用效率大幅提高，而且對于飛機(jī)起落架零件這種小批量多品種的生產(chǎn)，效果就更為明顯。

圖5 夾具托盤及零點(diǎn)接頭

經(jīng)過上述零部件的設(shè)計，最后經(jīng)組合裝配形成了圖6所示的模塊化柔性組合夾具整體結(jié)構(gòu)。

3. 零件的定位裝夾

柔性組合夾具在進(jìn)行零件的定位裝夾時，首先應(yīng)準(zhǔn)備好對應(yīng)扭力臂零件的定位支座、脹開心軸等部件，在孔系基礎(chǔ)板找到合適的聯(lián)接孔逐一組裝夾具模塊。如圖6所示，組裝好兩個固定定位支座4、8及兩個脹開心軸3、7，再組裝活動定位支座5、脹開心軸6，接著拔出限位銷9，推動活動定位支座至最遠(yuǎn)處，此時裝入扭力臂零件，兩孔插進(jìn)脹開心軸3、7，并使零件孔端面貼緊固定定位支座4、8，再調(diào)整活動定位支座滑動至合適位置，對齊一個限位孔，插入限位銷，此時脹開心軸6同時插入零件孔中，最后邊驅(qū)動圖7所示脹開心軸定位邊擰緊兩個鎖緊螺母使扭力臂零件完成定位裝夾，圖7中壓板只起到輔助壓緊作用。此時就完成了零件的定位裝夾，其二維圖如圖7所示，實(shí)物模型如圖8所示。在完成了扭力臂零件的定位裝夾后，再通過機(jī)器人運(yùn)送至生產(chǎn)線內(nèi)以布置在夾具托盤底部的零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與機(jī)床的快速聯(lián)接，無需再進(jìn)行零件找正即可進(jìn)行零件的數(shù)控加工，聯(lián)接過程如圖9所示。

圖6 柔性夾具結(jié)構(gòu)

圖7 零件定位裝夾二維示意

圖8 零件定位裝夾三維模型

圖9 組合夾具與機(jī)床零點(diǎn)定位聯(lián)接

4. 應(yīng)用效果

通過生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用，由不同脹開心軸、定位支座在孔系基礎(chǔ)板上組合、調(diào)整，可滿足外形相似、相近零件的定位裝夾，既縮短了產(chǎn)品換型時間，又降低了夾具制造成本，同時提高了數(shù)控設(shè)備利用率。應(yīng)用后產(chǎn)生的效果總結(jié)有以下幾點(diǎn)：①球鎖的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了夾具基礎(chǔ)板與夾具托盤的快速定位聯(lián)接，有助于減少夾具的換型時間，成套夾具的裝卸時間可縮短至1min。②研制的孔系夾具基礎(chǔ)板提高了夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度，長期應(yīng)用有助于降低夾具制造成本。③研制的模塊化夾具結(jié)構(gòu)提高了夾具的柔性化。④零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床夾具的快速定位壓緊、快速換型，離線裝卸時間＜0.5h。

5. 結(jié)語

隨著人工成本的日漸攀升，企業(yè)都希望能降低對工人的依賴，愈來愈傾向于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，在機(jī)械制造業(yè)的自動化進(jìn)程中，夾具的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化處于越來越重要的位置。本文數(shù)控夾具方案實(shí)施后，改變了公司現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)控加工環(huán)節(jié)中零件、工裝夾具裝夾找正方式，應(yīng)用了快速定位壓緊技術(shù)，達(dá)到了數(shù)控加工準(zhǔn)備快速以及基于基礎(chǔ)板孔系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同工裝定位元件的柔性化組合，在提高數(shù)控加工技術(shù)水平的同時為夾具快速換裝技術(shù)的推廣提供了技術(shù)基礎(chǔ)積累。