基于量產(chǎn)德國某大型立式加工中心需求對滑座安裝工裝的設計

0 引言

由于某德國某大型立式加工中心的國產(chǎn)化工作中出現(xiàn)缺少輔助工裝的問題，導致裝配精度和裝配效率降低。但國內(nèi)公司又缺乏有關的裝配經(jīng)驗和一系列的輔助工裝。因此，本團隊針對該型號立式加工中心的滑座部件進行設計輔助工裝，使用Solidworks軟件進行設計輔助裝配工裝方案，在與公司負責該國產(chǎn)化項目裝配工作的ME就滑座裝配工裝的需求等相關事宜進行充分的溝通后，并參照工廠內(nèi)相同類型工裝的結(jié)構設計，從性能要求、制作成本、安全系數(shù)、適用性等多個角度全面考慮最終設計出符合現(xiàn)場各項生產(chǎn)標準的滑座裝配工裝。

1 對現(xiàn)存輔助工裝的分析

就立式加工中心裝配方式來說明裝配工裝在裝配中的功能作用。大型立式加工中心的裝配是由滑座、主軸箱和立柱等部分分別裝配，最后再組裝到一起。而在各個部分的裝配過程中，裝配輔助工裝的作用就十分重要。它起到對裝配部件的固定支撐，防滑和便于人工裝配的作用。

在構思設計方案之前，參照公司內(nèi)現(xiàn)存的某中型機床的立柱輔助裝配工裝——機加工焊接成型的工裝。經(jīng)過對此工裝的觀察、分析以及向?qū)I(yè)人員請教，了解到此工裝的功能為支撐和固定立柱來輔助主軸頭的安裝。而工裝的尺寸是依據(jù)《機械設計手冊》所設計。

結(jié)合《機械設計手冊》與《機械工程材料》對此工裝進一步分析，此工裝所使用的是Q235-A材料8號槽鋼和10號槽鋼，最底部兩根十號方管的價格偏貴，而且頂部墊塊和筋板部分的設計過于復雜，給加工帶來不必要的步驟。就此工裝作為參考，從性能要求、制作成本、安全系數(shù)、適用性等多個角度全面考慮最終設計出符合現(xiàn)場各項生產(chǎn)標準滑座裝配工裝。

2 滑座工裝的設計思路

為此所設計的工裝主要是對于某大型立式加工中心的滑座部分。其功能是為滑座提供一個水平支撐面，并且具有固定滑座，利于人工進行裝配的作用。

基于已有的立柱裝配工裝，首先根據(jù)滑座的圖紙，確定工裝上的固定螺紋孔的尺寸距離，確保工裝的螺紋孔位置分布與滑座的螺紋孔位置分布保持一致，從而可以確保滑座可以安裝固定到工裝上。完成了固定滑座功能的設計后，接下來是滑座工裝的承重設計——635kg。經(jīng)過對此工裝的承重受力分析，工裝材料采用Q235-A的12號和14號槽鋼并且采用全周焊的焊接方法。

3 工裝的設計要求

3.1 需求方面的設計

在滑座裝配這道工序中，在無滑座的水平支撐工裝情況下，導致裝配誤差較大無法及時進入下一道工序，影響生產(chǎn)效率。且不同型號的立式加工中心的部件尺寸不同，所以就需要設計不同尺寸與需求的工裝來固定部件和便于裝配工作。而設計此工裝的需求是，為某大型立式加工中心的滑座部分提供水平支撐，并且具有固定滑座和利于裝配的作用。

3.2 功能方面的設計

對于滑座部分的工裝來說，工裝最重要的就是能否與滑座部件實現(xiàn)正確的安裝和起到固定作用。對此，我們通過公司提供的滑座圖紙，確定滑座底部的固定螺紋孔分布位置，以此設計工裝的墊塊的螺紋孔位置，以此確?；馨惭b到工裝上。然后是對墊塊與工裝連接部分的筋板部分的設計。以往的墊塊連接部分過于繁瑣，不利于滑座與工裝的連接。為此簡化了工裝的墊片筋板部分，大大簡化了人工安裝滑座與工裝的步驟。

3.3 安全性和承重性能方面的設計

工裝主要起支撐和固定滑座的作用，所以對于工裝的安全性和承重性能的設計也尤為重要。

由于此大型立式加工中心比中型立式加工中心的滑座部件要重，且該工裝的工作狀為靜態(tài)承重，因此選擇Q235-A的12號和14號槽鋼作為工裝的主體承重部分。并且工裝與滑座連接采用螺紋孔固定的方式，以此保證滑座在裝配工作中不會出現(xiàn)偏移甚至滑落。

其次，對于工裝底部的支撐部分，已有的工裝方案均采用兩根10號方管進行受力支撐。由于10號方管的價格昂貴且應現(xiàn)在生產(chǎn)需求，降低該工裝的制造成本，經(jīng)過一系列的力學分析，最終該工裝底部的方管替換成2根14a槽鋼。經(jīng)過Solidworks simulation對這2根14a槽鋼的承重性能做力學的有限元分析，再結(jié)合《工程力學》分析。結(jié)果表示，這2根14a槽鋼的承重性能可以滿足對此滑座的承重。

對于該工裝受力情況分析說明工裝最大可承受4.18×10MPa的壓力（見圖1），而圖中承重能力最弱的支腳部分也可承1.25×10MPa的壓力。綜合數(shù)據(jù)表明。設計的滑座工裝對于承受具有635kg的滑座部件是有過之而無不及。

圖1 應力分析

對于該工裝受力時的形變分析結(jié)果表明（見圖2），該工裝的最大形變出現(xiàn)在工裝與滑座部件接觸的墊塊處，且最大形變量為2.446×10mm。最小的形變量為1×10mm，出現(xiàn)在工裝的底部四個支腳。這些數(shù)據(jù)綜合表明，該滑座工裝完全可以承受635kg的滑座部件，且形變量在合理的范圍內(nèi)。

圖2 形變分析

3.4 勞保方面的設計

該工裝是針對滑座部件所設計的，在實際生產(chǎn)使用中工人需要對滑座部分進行裝配其他部件。所以在設計工裝時，對生產(chǎn)的便利性也有重視。生產(chǎn)便利這一方面，對產(chǎn)線工人進行走訪調(diào)查。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在裝配滑座部件時，大多數(shù)時間工人都處于站立狀態(tài)完成滑座的裝配工作，因此，工裝的高度要求就十分重要。如果工裝設計的高度過高，會導致滑座安裝高度過高，從而對滑座安裝和后期裝配過程產(chǎn)生許多不便。如果工裝設計的高度過低，也會出因滑座安裝位置過低，使工人在安裝和后期對滑座裝配過程中需要長期彎腰工作，這對工人的身體健康是一種十分大的損害。于是就滑座安裝高度問題，向產(chǎn)線工人進行了一次調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，滑座安裝后高度在80cm至90cm中間比較適合站立完成裝配任務。在此高度下，工人裝配滑座出現(xiàn)需要鎖緊螺絲時，這個高度有利于發(fā)力；對于需要人工手動裝配較重的部件如電機，絲桿等時，這個高度也有利于人工完成裝配。綜上，在實際生產(chǎn)中合理的滑座工裝高度，有利于提高生產(chǎn)效率和減少工人的身體健康損害。

3.5 制作成本方面的設計

在滿足以上設計需求的前提下，對此進行工裝制作成本方面的設計。

對于工裝的底部支撐部分，改變已有的方管支撐方案（見圖3），采用2根14a槽鋼（見圖4）。在成本方面，10號方管的制造成本遠高于槽鋼。經(jīng)過向有關供應商的咨詢，14a槽鋼比10號方管便宜兩百元左右，最后根據(jù)具體材料報價計算得到，采用14a槽鋼代替10號方管方案，單從材料采購成本方面可節(jié)約34%。在受力支撐方面，對槽鋼方案使用Solidworks simulation力學分析，分析結(jié)果表明2根14a槽鋼的承重性能可以滿足對此滑座的承重。因此，最終采用制作成本更為便宜的槽鋼作為工裝的支撐。

圖3 方管支撐工裝

圖4 改良后工字鋼支撐

對于工裝與滑座接觸的支撐部分，改變已有的AL 7075墊塊（見圖5），采用四個KF100F M16×150水平支腳焊接在框架墊片方案（見圖6）。地腳和AL7075墊塊的制造材料硬度均低于滑座的鑄鐵，不會損壞滑座的安裝面，水平支腳在功能方面與AL 7075墊塊相同且受力分析滿足要求。但是AL 7075墊塊屬于非標件，需要聯(lián)系廠商定制，定制AL7075墊塊成本在一百元以上。而KF100F M16×150支腳屬于標件，根據(jù)某工業(yè)商城的官網(wǎng)報價，單個地腳KF100F M16×150采購價在67元，地腳的成本遠低于定制化的AL 7075墊塊。在采用標件的地腳方案下，對比AL7075定制墊塊在成本方面節(jié)約20%，因此，最終采用水平支腳的方案。

圖5 A7075墊片

圖6 水平支腳

經(jīng)過對該工裝的支撐方管和墊塊兩個部分的重新設計，從改變支撐材料和將非標件替換為標件的地腳，節(jié)約了工裝制造的材料成本。

4 工裝設計使用展示

針對德國某大型立式加工中心的滑座裝配需求所設計的該工裝，經(jīng)過供應商制造完成后，已經(jīng)在公司投入正常的生產(chǎn)使用（見圖7和圖8），對比其他機型的立式加工中心的輔助支撐工裝，本團隊成功設計出了滿足性能要求、安全系數(shù)、適用性和降低制造成本等要求的立式加工中心滑座裝配工裝。此滑座工裝的設計對該德國某大型立式加工中心的國產(chǎn)化和量產(chǎn)化做出了貢獻，也填補了公司對自主設計工裝的空白。

圖7 工裝地腳使用效果

圖8 工裝槽鋼支撐