一種渦輪箱蓋的數(shù)控加工工藝與夾具設(shè)計(jì)

劉一聰，陳儉峰

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州宸奧精密機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213164）

0 引言

在機(jī)械加工中夾具是保證被加工工件在機(jī)床上獲得正確的位置并在加工中防止由于切削力造成的位置改變及工件變形的一種重要工藝設(shè)備[1]。合理的夾具設(shè)計(jì)不僅可以較好的保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且可以簡化加工工序，提高加工效率，降低工作者的勞動強(qiáng)度，本文中的渦輪箱蓋用途是將其他零部件如軸、渦輪、螺桿等連接為一體的主要基座，箱蓋的加工質(zhì)量將直接影響到整個傳動系統(tǒng)的傳動精度。其形狀不規(guī)則，加工難度大，在加工時無法直接將其裝夾在機(jī)床上，必須設(shè)計(jì)一種專用夾具進(jìn)行裝夾，在夾具設(shè)計(jì)時要根據(jù)設(shè)計(jì)好工藝路線，定位基準(zhǔn)，通過定位元件、夾緊元件和支承元件來固定箱蓋。

1 渦輪箱蓋加工關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及加工機(jī)床的選型

1.1 渦輪箱蓋加工關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

渦輪箱蓋是一個異形鑄造件，材料為鋁合金。主要的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)有：各關(guān)鍵孔的孔距公差，孔軸線的平行度，孔安裝平面的平行度，孔與相關(guān)平面的垂直度。這些指標(biāo)能否按照圖紙要求加工至所需精度，將直接影響到后期渦輪和各個軸的裝配，如圖1。

圖1 渦輪箱蓋設(shè)計(jì)圖紙

1.2 加工機(jī)床的選擇

依據(jù)渦輪箱蓋的加工內(nèi)容、材料特性、加工精度要求和零件尺寸大小，選擇了美國HASS VF-2立式加工中心作為加工設(shè)備，其xyz工作行程為762 x 406 x 508mm ，HASS VF-2是強(qiáng)有力的、占地面積小的立式加工中心，具有小結(jié)構(gòu)機(jī)床的可靠性和精確度。刀庫容量為24 把，可以在1.2秒內(nèi)加速至7500 rpm用以加工鋁，機(jī)床性能滿足箱蓋的加工。

2 工藝方案制定

渦輪箱蓋零件如圖1 所示，毛坯材料為鑄鋁，外形不規(guī)則，加工時主要工藝要求是保證Φ130.040 130.003孔與Φ1300.05 00.05 0孔的加工尺寸及形位公差；保證各孔與安裝面的垂直度；其中Φ130.040 130.003孔是箱蓋安裝渦輪的主體孔。該箱蓋為大批生產(chǎn)，在加工時需盡可能的將工序進(jìn)行整合，盡量減少裝夾次數(shù)，以此提高生產(chǎn)率。箱蓋的加工難點(diǎn)在于裝夾，即如何設(shè)計(jì)專用夾具完成每個工位的加工，確保每個工位的安裝的精準(zhǔn)性和多次安裝的穩(wěn)定性，基于此，根據(jù)箱蓋的外形特征，結(jié)合加工部位的要求，總體將箱蓋的加工分為三道工序，通過三次裝夾完成箱蓋的全部加工，結(jié)合三個工序加工要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工位夾具。

表1 分動箱殼體數(shù)控加工工藝

3 夾具的設(shè)計(jì)

在夾具設(shè)計(jì)時首先應(yīng)該考慮定位基準(zhǔn)的問題，按照粗基準(zhǔn)的選擇原則，當(dāng)零件有不加工表面的時候，應(yīng)該選取這些不加工的表面作為粗基準(zhǔn)；如果在工件的所有表面中相互位置精度非常高且不需要加工的表面，我們通常選取這類表面作為工件加工的粗基準(zhǔn)[2]。在對精基準(zhǔn)進(jìn)行選取時必須要滿足“基準(zhǔn)重合”、“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則。

3.1 工位Ⅰ夾具設(shè)計(jì)

在工位Ⅰ的夾具設(shè)計(jì)時，根據(jù)箱體鑄件的特征，用鑄件現(xiàn)有的孔作為定位基準(zhǔn)，在夾具中設(shè)計(jì)定位銷，如圖2中“3”所示，同時設(shè)計(jì)4個靠緊裝置，如圖2中“2”所示，結(jié)合2個定位銷和4個靠緊裝置消除箱體在機(jī)床中X、Y方向的移動自由度。自此基礎(chǔ)上，根據(jù)箱體的加工部位，設(shè)計(jì)3個壓緊裝置，消除Z方向的自由度。

圖2 工位Ⅰ定位方案

圖3 工位Ⅰ裝夾效果圖

3.2 工位Ⅱ夾具設(shè)計(jì)

在機(jī)械加工中，在缺少定位基準(zhǔn)的情況下，可以采用工藝孔的方式增加基準(zhǔn)，在工位Ⅱ的夾具設(shè)計(jì)中即采用了這種方法，如圖4中的“1”所示，在工位Ⅰ的加工中把其中的一個安裝孔在不影響后期質(zhì)量的情況在設(shè)計(jì)成定位孔，便于下道工序的裝夾定位。其次，由于箱體鑄件外形不規(guī)則，為保證在工位Ⅱ加工中Z方向的水平度，在夾具設(shè)計(jì)時增添了3個高度墊柱。最后同樣設(shè)計(jì)3個點(diǎn)的壓緊裝置，用來固定箱體。

圖4 工位Ⅱ定位方案

3.3 工位Ⅲ夾具設(shè)計(jì)

在完成箱體正反兩面的加工之后，根據(jù)工藝安排，最后加工箱體側(cè)面部位，由于側(cè)面部位有兩個加工點(diǎn)，且相對位置為180°，為了簡化工藝，減少夾具數(shù)量，因此采用四軸加工工心進(jìn)行加工，在一次裝夾的情況下，通過四軸轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，完成相對位置為180°的兩個部位的加工，在夾具設(shè)計(jì)時，首先保證夾具背面可以精準(zhǔn)的安裝在四軸轉(zhuǎn)臺上，再對零件裝夾部位進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)思路參考上述兩道工序，定位方案如圖6。

圖5 工位Ⅱ裝夾效果圖

圖6 工位Ⅲ定位方案

圖7 工位Ⅲ裝夾效果圖

3.4 定位銷尺寸與夾緊力計(jì)算

本箱體在三道工序的夾具中都采用了一面兩銷的組合定位方式，最大限度的遵循了基準(zhǔn)重合和基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則[3]。以Φ8定位孔為例，其直徑：

由于圓柱銷直徑的基本尺寸應(yīng)等于相配孔的最小極限尺寸，即Φ8g6。因此，圓柱銷的直徑：

兩個定位銷的中心距公差也有要求，一般選取1/3-1/5定位孔中心距公差，文中其他圓柱定位銷尺寸同理得出。

根據(jù)《簡明機(jī)械手冊》單位切削力標(biāo)準(zhǔn)值查表可得，根據(jù)鑄造鋁合金AlCu Mg3切削厚度h=1mm時單位切削力kc=780N/mm2，估算六角螺母面積最大值為2mm2，可得切削時螺母受力極限值為1560N[4]。

對于夾具所要承受的夾緊力計(jì)算：根據(jù)《機(jī)床夾具手冊》可以知道：當(dāng)采取六角螺母夾緊的時候，所要考慮的參數(shù)：M=20mm，P=1.75mm，L=200mm，通過查表計(jì)算可得作用力F的大小為70N，夾緊力W0的大小為6370N。因?yàn)閵A緊力的值比切削力值大，所以對于本次所設(shè)計(jì)的夾具可以安全準(zhǔn)確的使用[5-6]。

4 結(jié)語

將文中夾具設(shè)計(jì)方案實(shí)際運(yùn)用，零件加工符合圖紙要求，加工穩(wěn)定性較好，截止目前已加工數(shù)萬個渦輪箱蓋，產(chǎn)品報(bào)廢率控制在1%以下，返修率控制在2.8%以下，夾具結(jié)構(gòu)簡單，日常維護(hù)方便，運(yùn)用效果良好，具有良好的使用效能。不足之處在于當(dāng)前設(shè)計(jì)加緊方式采用手動加緊，今后可改進(jìn)方案，采用氣動壓緊，降低工人勞動強(qiáng)度，提高裝夾效率。