按摩椅渦輪箱四軸加工工藝研究

洪斯瑋,張國強

（寧德職業(yè)技術學院 機電工程系，福建 福安 355000）

隨著人們生活水平的提高及亞健康人群的增加，越來越多的人選擇按摩椅進行保健.福建閩東是中國按摩椅的核心產區(qū)，按摩椅渦輪箱又是按摩椅的核心部件，是渦桿、揉捏軸和敲擊軸的安裝載體.若渦輪箱的加工質量達不到工藝要求，按摩椅易出現(xiàn)噪音、震動及軸承損壞等問題，渦輪箱是目前按摩椅最主要的故障集中區(qū).2015 年以來，許多學者都對其進行了研究.彭晨晨［1］對按摩椅3D 機芯的結構進行總體設計，優(yōu)化設計了各功能機構，同時對其運動學和可靠性進行了仿真及有限元分析；王福東、王旭等［2-5］分別對葉輪、異形零件、小型整體葉盤、汽油機葉片的四軸加工工藝進行分析、編程與多軸仿真加工；王秋蓮等［6］分別應用響應面法和人工蜂群算法對數(shù)控車削工藝參數(shù)進行優(yōu)化，秦洪浪等［7］研究了實時采集指令域示波器在線優(yōu)化數(shù)控銑床加工參數(shù)；劉海亮等［8］為提高汽油機活塞數(shù)控車削加工的質量和生產效率，提出了基于非支配排序差分進化算法的多目標優(yōu)化方法與基于加權相對距離的決策方法.以上研究主要對按摩椅機芯結構、四軸的加工工藝及特定數(shù)控加工工藝的參數(shù)進行優(yōu)化，并未針對按摩椅渦輪箱的加工工藝進行研究.渦輪箱除尺寸精度及表面質量要求高外，幾何公差要求同樣較高，而目前閩東地區(qū)渦輪箱的加工工藝普遍采用工序分散式，即采用數(shù)控車削或三軸加工中心多次裝夾加工，工藝實施過程中存在多次定位誤差、夾緊誤差等問題，造成渦輪箱三個重要孔的中心距超差、軸線間的垂直度或平行度不達標等問題［9-10］，產品合格率低，生產成本高，本文提出四軸數(shù)控加工技術以解決上述問題.

1 渦輪箱加工內容分析

渦輪箱零件圖紙如圖1.通過分析零件圖紙，將影響渦輪箱質量的重要尺寸及形位公差進行整理，渦輪箱的主要加工內容見表1.

表1 渦輪箱主要加工內容

圖1 渦輪箱零件圖紙

1.1 尺寸精度

1.2 幾何精度

三個孔各自兩個軸承位的同軸度為0.008 mm 和0.012 mm，由于鋁材料裝夾易變形，因此工裝設計時一般不采用孔的外輪廓為夾緊位置，避免變形超差；孔（蝸桿）兩軸線的垂直度公差為0.025 mm，（揉捏軸）兩軸線的平行度公差為0.015 mm，這就要求最好在一次裝夾中把三個孔都加工出來，如果工藝條件不允許，則要盡量減少裝夾次數(shù)，提高二次及三次裝夾的定位精度.

1.3 表面質量

三個孔的表面粗糙度均為1.6 μm，精加工需采用金剛石刀，并要求斷屑、排屑好，避免斷屑在加工孔內影響表面質量，要求冷卻條件好.

2 加工工藝比較

2.1 數(shù)控車床的加工工藝

使用沈陽CK4085 數(shù)控車床，配廣數(shù)GT980TDI 系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝特點，要加工該渦輪箱，需采用花盤工裝，對應三個孔需3 副工裝，分3 道工序進行加工.根據(jù)3 個孔的精度要求，優(yōu)先加工高精度的孔，具體工序見表2.

表2 數(shù)控車削加工工藝

2.2 三軸加工中心的加工工藝

使用南通航智VMCL850 的三軸加工中心，根據(jù)三軸加工中心的加工工藝特點，三孔加工需分2 道工序，設計制造2 副工裝.為提高生產效率，基于所用三軸加工中心的大小及零件結構，設計制造的工裝有10 個工位，具體工序見表3.

表3 三軸加工中心的加工工藝

2.3 四軸加工中心的三孔加工工藝

使用南通航智VMCL850 的四軸加工中心，轉軸為A 軸，根據(jù)四軸加工中心的工藝特點，三孔加工只需1 道工序，1 副工裝.根據(jù)實際生產機床的大小、零件結構和加工內容，采用雙排對布，每排5 個，兩排共10 個，A 軸需三個方向定向加工，具體工序見表4.

表4 四軸加工工藝

2.4 三種加工工藝對比分析

主要從加工效益、加工質量及勞動強度方面對不同數(shù)控加工工藝進行比較［11］，其中加工效率由產量體現(xiàn)，加工質量由合格率體現(xiàn)，勞動強度由裝夾次數(shù)體現(xiàn)，由于本次比較的不同數(shù)控加工工藝的設備使用數(shù)量相差較大，對數(shù)控技術人員要求差異高，因此將機床數(shù)、技術要求兩項作為對比參數(shù)進行工藝比較.三種加工工藝比較結果見表5，其中生產率、合格率由福安高斯電子有限公司、福建酉合電氣有限公司、福安萬里電機有限公司及寧德職業(yè)技術學院協(xié)同創(chuàng)新公共平臺的量產數(shù)據(jù)得來.

表5 三種加工工藝的比較

分析表5 可知：

1）加工質量.裝夾次數(shù)越多，垂直度和平行度兩個形位公差的要求越難保證，加上材質本身是鑄鋁，夾緊過程容易變形，導致產品合格率：數(shù)控車床＜三軸加工中心＜四軸加工中心；

2）加工效益.按當前數(shù)控市場行情，對于相同級別的數(shù)控機床，數(shù)控車床價格≈1/3 三軸加工中心價格≈1/4 四軸加工中心的價格，工裝數(shù)比3∶2∶1，從投入的角度看三種工藝差別不大；對操作人數(shù)的需求一樣，但生產率方面，數(shù)控車床＜三軸加工中心＜四軸加工中心；

3）技術要求.對于開發(fā)的技術要求，數(shù)控車床＜三軸加工中心＜四軸加工中心，閩東地區(qū)對四軸加工工藝的掌握相對較為薄弱，很多公司在復雜的自動化工裝夾具和四軸加工編程方面技術積累不足，這也是其選擇相對簡單的數(shù)控車床或三軸加工中心的主要原因.

3 四軸加工中心加工工藝流程擬定

通過對三種加工工藝的比較，在該渦輪箱的生產中，四軸加工中心雖然對技術要求較高，但生產效益好、合格率高.基于學院協(xié)同創(chuàng)新公共平臺的四軸加工機床參數(shù)見表6，擬定的四軸加工工藝流程［12-14］見表7.

表6 四軸加工中心主要參數(shù)

表7 按摩椅渦輪箱加工工藝流程

續(xù)表7

設計對應的氣動工裝夾具，編制加工程序并實現(xiàn)該渦輪箱的量產，如圖2、圖3.

圖2 四軸加工工藝的生產應用

圖3 采用四軸加工工藝的渦輪箱生產現(xiàn)場

4 結語

本研究對比了當前渦輪箱數(shù)控加工的兩種常用加工工藝，分析了其優(yōu)缺點，提出四軸加工技術以實現(xiàn)渦輪箱的加工，并對比了三種加工工藝的生產效益.根據(jù)現(xiàn)有機床條件，設計了四軸加工工藝流程，按照該流程，設計了工裝夾具，驗證了設計的加工工藝.從實際應用來看，在設備投入基本相當?shù)那闆r下，生產效率提高20%～33%，合格率提高30%～60%，勞動強度大大降低，生產效益顯著提高，為閩東地區(qū)按摩椅產業(yè)的渦輪箱加工提供一種解決方案.本設計加工工藝流程的實施過程，對應四軸的自動化工裝夾具設計與制造是實施的重要條件，將在后續(xù)研究中繼續(xù)設計開發(fā).