航空航天內六角螺釘保險絲孔專用加工設備的改進設計

王麗華 趙 淳 喬遠鵬

（①蘇州技師學院，江蘇 蘇州 215009；②蘇州中谷實業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215131）

隨著航空航天工業(yè)的繁榮發(fā)展，有著“工業(yè)大米”之稱的緊固件越來越受到航空航天產業(yè)上下游企業(yè)的重視[1]。航空緊固件產品，是為航空機械提供結構連接的零件。緊固件保險是指航空緊固件受到外力的作用會發(fā)生變形、振動和材料高溫蠕變等情況，造成緊固件螺紋之間的摩擦力減小，產生松動的可能，因此都應該有保險。對航空器上的緊固件，除了按規(guī)定要求擰緊力矩外，還要求采用某些措施以阻止它們的松動趨勢，這些防松措施稱之為“保險”。緊固件保險，直接關系到航空航天器的安全運行。緊固件保險包括機械保險和靠摩擦力保險，其中機械保險的基本原理是利用機械的辦法，阻止螺紋間(螺帽與螺桿間)產生相對運動。本文所述航空航天內六角螺釘保險絲孔，是在內六角螺釘頭部，以金屬絲固定防止松動使用的孔，為金屬絲孔，有單根、雙根保險絲孔。

表1所示為部分內六螺釘頭法線方向加工孔的要求，此螺釘為英制螺釘 。從表1中可以看出，螺釘號為04、06的螺釘 頭加工兩個孔；螺釘號為08、3、4、5的螺釘頭加工6個小孔，即內六角的6個面均要求加工孔。如圖1所示加工孔的位置，表1中可看出螺釘的尺寸大小的變化，對螺釘的輸送和裝夾具有不同的要求。

圖1 內六角螺釘頭加工尺寸要求

表1 部分內六角螺釘法線方向加工孔的要求

1 數控電火花高速小孔加工設備改進設計

電火花小孔加工是利用電極絲旋轉與向下垂直進給復合運動，通過脈沖放電達到加工的目的[2]。電火花小孔加工的特點有在加工中無切削力、加工的表面質量好、精度高、加工孔的深徑比和加工效率等都比一般機械加工更高；能直接從復雜形面加工，能加工淬火鋼、不銹鋼、硬質合金、鈦合金和高溫耐熱合金等難加工材料[3]；加工時采用銅管作為工具電極，成本很低等?；跀悼仉娀鸹ǜ咚贆C床，通過改造設備的軟、硬件，研發(fā)了內六角螺釘保險絲孔自動加工裝置和自動換電極機構，以實現自動加工保險絲孔。

航空航天高溫合金內六角螺釘保險絲孔自動加工設備如圖2，由床身、工作臺、立柱（主軸箱）、電極庫、旋轉頭、控制柜、操控臺和工件自動送卸料夾持分度裝置組成，其中自動換電極庫和自動送卸料夾持分度裝置等進行了軟硬件的設計和改造。

圖2 航空航天高溫合金內六角螺釘保險絲孔自動加工設備的示意圖

1.1 自動換電極機構

電火花高速小孔加工最適合加工直徑為0.3～3 mm左右的小孔，而且理論上深徑比可以超過200∶1[4]。電火花小孔加工采用中空的細小銅管作為工具電極，利用電極旋轉與向下垂直進給復合運動，通過脈沖放電達到加工的目的。加工過程中電極損耗快，需手動更換電極，操作不方便，且費時費力，為此設計改用電極自動換刀庫，進行自動換電極。由于加工直徑為0.1～3 mm時，銅管（電極）如圖3中，長度可達300、400或者500 mm，長徑比非常大，電極只能垂直放置，所以采用盤式電極自動交換器結構較適合，如圖3所示。此機構能實現：機械手伸出→抓住電極柄→機械手下降→機械手縮回→機械手上升→機械手縮回→放置盤式電極刀庫電極柄夾板10上，完成自動更換電極的功能。

圖3 盤式電極自動交換器的結構外形示意圖

1.2 扶絲機構的設計

如圖4所示，加工孔直徑小于0.5 mm時，電極剛性差、容易彎曲、絲抖動大，易造成工件報廢，只能“長電極短用”，電極浪費嚴重，還需頻繁更換電極。如圖5所示，在導向器與電極夾頭間增加扶絲機構（類似于導向裝置），有效提高了電極動態(tài)剛性，降低了電極的側向抖動，提升了加工的穩(wěn)定性，“長電極長用”，提高了小孔加工的合格率。

圖4 普通夾絲的效果圖

圖5 增加扶絲機構的效果圖

1.3 電火花銑削加工編程軟件系統(tǒng)的設計

傳統(tǒng)的電火花小孔加工需在特定加工機床上實現，被加工工件尺寸與形狀受機床限制[5]，只能電極旋轉與向下垂直進給復合運動加工小孔，不能加工孔口的倒角或圓角或異形孔。為加工保險絲孔，以數控銑削加工編程技術為基礎，開發(fā)設計一款電火花銑削編程軟件系統(tǒng)，將電極的損耗，通過大量加工工藝數據庫進行處理，提出了電極損耗補償算法，解決了電極損耗因素，其運動軌跡又與金屬切削的數控編程軌跡相似，操作者可通過軟件對零件進行異形孔或倒角或倒圓編程加工。

2 內六角螺釘保險絲孔夾具自動送卸料夾持分度裝置的設計

2.1 工作原理

自動送卸料夾持分度裝置如圖6所示，由送料部分、定位夾緊分度部分和卸料部分組成。自動送卸料夾持分度裝置的工作原理：內六角螺釘通過振動從送料導軌在重力作用下滾入定位上料導軌，然后無桿氣缸帶動電機、定位和分度機構向左移動一定距離，定位和分度機構中的彈簧壓縮，電機順時針旋轉90°，此時內六角批頭在彈簧力的作用下自動進入內六角螺釘頭中，實現定位；電機回到初始位置后，開始加工，加工到位后，電機根據需鉆孔的數量進行旋轉角度（螺釘頭加工6個孔轉60°，加工2個孔轉180°）繼續(xù)加工另一個孔，到位后再旋轉一定角度，直到依次完成所有孔的加工；最后電機回到初始位置，無桿氣缸帶動電機、定位頭和分度機構向右移動，同時頂料桿將螺釘頂出，掉入卸料槽，螺釘順著卸料槽自動卸料，完成一個內六角螺釘保險絲孔的自動化加工過程。為實現自動化無人加工，對送料導軌、定位夾緊分度卸料部件、液壓系統(tǒng)等進行改造設計。

圖6 工件自動送卸料夾持分度裝置

2.2 送料定位導軌的設計

送料是通過振動盤振入螺釘導軌，再落入定位槽。定位槽要低于導軌，螺釘落下之后正好卡在定位槽中，導軌結構如圖7所示。導軌的傾斜角度不能太大，也不能太小，角度太大螺釘容易卡死，角度太小螺釘有可能不會自動滾落到定位槽。需要根據力的分析來確定傾斜角度，加工不同型號的螺釘選擇的角度有變化。導軌的大小型狀也應根據螺釘的不同而不同。

圖7 送料定位導軌

2.3 定位夾緊分度卸料部件的設計

定位夾緊分度部件由定位頭、支承電機座、電機和無桿氣缸等組成，如圖8所示。定位頭選用標準內六角批頭和彈簧等零件組成，根據加工不同型號的內六角螺釘，方便地更換不同標準的內六角批頭。該部件設計的關鍵是電機與標準內六角批頭之間需要絕緣，使用絕緣套將加工部分與驅動部分絕緣，才能進行正常的電火花加工，在此選擇合適的絕緣材料非常重要。在加工過程中需要高壓水作為工作液，此絕緣材料不能在水的浸泡下發(fā)生大的變形，多種材料試驗對比，環(huán)氧樹脂棒料和板料性能突出，具有力學性能高、加工工藝性好、電絕緣性優(yōu)良、穩(wěn)定性好和環(huán)氧固化物的耐熱性高等優(yōu)點，廣泛用于電加工設備中的絕緣零件。加工試驗過程中，雖遇高壓水稍有變形，但影響很小，又因此絕緣材料價格便宜且易加工，綜合考慮最終設計選定環(huán)氧樹脂棒料作為絕緣套的材料。

圖8 定位夾緊分度部件

該機構定位采用標準內六角批頭與內六角螺釘頭內六角孔匹配，通過電機旋轉帶動內六角批頭，在彈簧力的作用下，內六角批頭自動落入螺釘頭內六角孔內并緊緊壓在定位槽的立柆面上，達到定位精準而快速的效果。由于采用此方法定位，工件螺釘分度變得簡單，只要用電機直接帶動標準內六角批頭，標準內六角批頭又帶動螺釘工件一起旋轉，以達到需要加工的分角（60°加工6個孔或180°加工2個孔）。卸料方式方便，當自動小孔加工完成后，無桿氣缸帶動電機、定位頭、頂料桿復位，回到氣缸初始位置，同時頂料桿在這個過程中將內六角螺釘頂出，順著卸料槽滾下，完成卸料。此部件結構簡單、操作方便，能自動加工不同規(guī)格的螺釘，達到預期目標。

3 內六角螺釘保險絲孔夾具氣壓系統(tǒng)的設計

氣動技術由于本身具有系統(tǒng)結構簡單、輕便、可靠性高、壽命長、防火耐熱、阻電、抗震防爆、污染性小和工程快速集成實現等多種技術特點，已逐步發(fā)展成為我國推進現代工業(yè)生產的全自動化中必不可少的基本技術要素，是企業(yè)直接實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一[6]。設備中的定位夾緊分度卸料部件的定位夾緊及卸料，采用氣動系統(tǒng)控制。由于機床已選定，即工作臺面大小已定，因此定位夾緊分度卸料部件與之匹配，尺寸不宜太大，選用無桿式氣缸，可以節(jié)省安裝空間。該機床中自動換電極機構也是采用氣動系統(tǒng)，采用雙桿導向有桿氣缸，保證導向精度，如圖9所示。進入機床的氣源一定要滿足本機床對氣源的技術要求。

圖9 氣動回路圖

氣源處理裝置（二聯(lián)件）關鍵元件過濾器，選用亞德客（AirTAC）元件，因其過濾器具有獨特的導流結構，使流過的氣體產生適當的旋轉，從而更有效地分離氣體中的液體并可靠地過濾固體顆粒。安裝于主管路上，去除壓縮空氣中的油、水、雜質，可延長精密過濾器的濾芯壽命和防止下游元件出現故障。

4.1 輸入/輸出管腳功能分配

控制系統(tǒng)選用了三菱FX3U系列PLC。FX3U系列是三菱第三代微型可編程控制器，內置高達64 K大容量的RAM存儲器，內置業(yè)界最高水平的高速處理 0.065 μS/基本指令，控制規(guī)模 16～384(包括CC-LINK I/O)點，內置獨立3軸100 kHz定位功能(晶體管輸出型)，基本單元左側均可以連接功能強大、簡便易用的適配器[7]。

根據控制系統(tǒng)設計輸入/輸出點需求和外部信號要求，PLC選用的型號為FX3U-32MT-ES-A，輸入/輸出管腳功能分配表如表2所示。

表2 輸入/輸出管腳功能分配表

4.2 編程設計

根據加工需求，動作執(zhí)行的自動加工步進主程序流程圖如圖10所示。根據PLC輸入/輸出管腳功能分配，PLC梯形圖編程可分為如下兩大模式，2孔加工模式和6孔加工模式，使用狀態(tài)元件S，用步進梯形圖指令完成。如圖11所示為二等分加工流程圖即2孔加工模式，六等分加工模式的流程圖與二等分加工流程圖相似，電機旋轉60°加工1個孔，加工6次。

圖10 自動控制主程序流程圖

圖11 自動控制二等分加工流程圖

經過蘇州中谷實業(yè)有限公司批量加工試驗，該自動控制設備所加工的保險絲孔能達到用戶需求，不同規(guī)格的螺釘可制定不同規(guī)格的送料定位導軌和下料槽，并在同一臺設備上自由更換，定位六角批頭也可自由更換，同一臺機器完成不同螺釘的加工，裝夾穩(wěn)定，定位準確，加工符合精度要求的產品，省時省力，減輕工作強度，實現自動化無人操作。與傳統(tǒng)鉗工加工比較，鉗加工1個孔花2 min，去毛刺花10 s，工件為耐高溫螺釘，材料硬、難加工，易斷鉆頭，每加工10個孔左右，必須換鉆頭；而現在用電加工自動加工1個孔只花3～4 s，毛刺加工孔時直接去掉。生產效率可提高30～80倍甚至更高。