航空模鍛件數(shù)控加工用萬能工裝的研究及應(yīng)用

黃小慶 呂亮 楊希

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽 618000)

傳統(tǒng)機械加工工裝的設(shè)計及使用理念是具有專用性的，其特點是根據(jù)產(chǎn)品零件特定結(jié)構(gòu)形式設(shè)計對應(yīng)的加工工裝。然而由于該種專用性特點也就決定了每套工裝僅能夠應(yīng)用于某一種特定產(chǎn)品的零件加工。

通常，航空模鍛件在研制初期，為保證目標零件的力學性能、疲勞、腐蝕等關(guān)鍵性能因素滿足設(shè)計、使用要求，會對工藝、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等影響因素進行迭代優(yōu)化。同樣的，在航空模鍛件的設(shè)計及試制階段，由于成型模擬所給定的關(guān)鍵特點結(jié)構(gòu)不能進行精確的再現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)也會進行不斷的優(yōu)化，一旦設(shè)計結(jié)構(gòu)或者關(guān)鍵尺寸進行更改，在該階段設(shè)計、備制的專用加工工裝在實際使用過程中將會出現(xiàn)位置結(jié)構(gòu)、尺寸結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)匹配問題，嚴重影響產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)進度，甚至導(dǎo)致原設(shè)計工裝報廢。但是，由于航空模鍛件產(chǎn)品材料多為鈦合金，其加工難度較普通鋼材料鍛件難度大，如果不使用加工工裝，直接使用墊鐵進行加工，極易在加工過程中發(fā)生工件移動，導(dǎo)致撞刀、過切等情況，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。

基于此，介紹一種在模鍛件數(shù)控加工中使用的新型工裝的研究及應(yīng)用，它以通用性、廣泛性且不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制約的特點，適應(yīng)模鍛件研制階段小批量、多品種、快節(jié)奏的制造要求。

1 工裝設(shè)計

鍛件加工過程中，主要通過專用工裝上的定位孔安裝定位銷對工件X、Y向自由度進行限制，并配合墊鐵、壓板對鍛件的其余自由度進行限制，同時定位銷還可以作為翻面基準，使鍛件加工過程中的不同工位加工基準一致，避免翻面時由于找正的誤差造成加工錯移，且通過定位銷可以有效提高不同工位加工時的找正效率，壓縮加工周期。

模鍛件在研制初期，為保證鍛件的各項設(shè)計參數(shù)達到使用目標，其結(jié)構(gòu)常常會進行不斷調(diào)整，定位孔位置也會相應(yīng)的變化。

專用工裝結(jié)構(gòu)相對固定，面對經(jīng)常變化的定位孔，需進行改制或重新制作才能滿足加工要求，不利于產(chǎn)品研發(fā)的進度的保證及成本的管控。要解決該問題，萬能工裝首先要解決的就是對應(yīng)的定位孔變化問題，通過查閱相關(guān)技術(shù)資料，參考機床工作臺的設(shè)計及工件在機床上的裝夾方式[1-2]，決定采用棋盤類底板結(jié)合基準墊塊的方式進行工裝設(shè)計。

基于以上設(shè)計方案，參考現(xiàn)有鍛件專用工裝的加工裝夾方式，采用CATIA建模的方式對工裝各部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并利用CATIA裝配模塊，針對不同類型的產(chǎn)品進行裝配模擬，通過不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品不同基準孔軸系朝向驗證萬能工裝的合理性，并通過不斷地優(yōu)化改進，最終形成了以下設(shè)計方案：

1.1 工裝底板設(shè)計

工裝底板作為萬能工裝的主體結(jié)構(gòu)，其強度及剛度需要滿足加工要求，故工裝底板選用抗變形能力較好的45鋼材料，毛坯選擇厚度120 mm鋼板，同時配合熱處理調(diào)質(zhì)，以達到更好的力學性能。

工裝底板主要與機床工作臺進行固定，同時作為支持模塊，安裝其余部分，故選取三種常用數(shù)控加工設(shè)備VB-900、FV3224、FV4224機床工作臺尺寸設(shè)計工裝底板的外形尺寸，以上三種機床工作臺尺寸分別為860 mm×2100 mm、2200 mm×3000 mm、2200 mm×4000 mm，故工裝外形尺寸設(shè)計為700 mm×1750 mm，作為三種機床的最小結(jié)構(gòu)單元，采用該外形可同時適用于以上三種機床，同時可采用多塊工裝底板組合的方式加工超過單塊工裝底板加工范圍的鍛件。

工裝底板與機床工作臺的固定裝夾結(jié)構(gòu)主要參考的機床工作臺T型槽裝夾尺寸進行設(shè)計，其裝夾位置與工作臺T型槽位置一致，使用時左右利用螺栓將工裝底板與工作臺把合，側(cè)面采用壓板的方式將工裝底板固定。

基于數(shù)控加工右手坐標系X-Y-Z軸系機理，以棋盤狀縱橫交錯的結(jié)構(gòu)模式設(shè)計工裝底板的T型槽體位置，T型槽參考標準T型槽及機床使用的T型槽寬度選取[2]，通用機床使用的螺栓和T型滑塊，該方式使工藝基準墊塊可以在工裝底板上任意位置進行固定；由于T型槽主要用于調(diào)節(jié)、固定基準墊塊，而基準墊塊決定定位孔位置，故對T型槽側(cè)面進行滲氮處理，以增加其耐磨性，保證T型槽在長期使用中尺寸、位置的準確性；同時，在鍛件裝夾過程中，棋盤狀縱橫交錯的T型槽在面對不同外形的鍛件的裝夾時，壓板、壓緊螺栓和滑塊可以在工裝底板上選擇任意合適位置對鍛件進行固定，使鍛件的裝夾更穩(wěn)定可靠，并有效地減少了鍛件在加工過程中的輔助時間。

采用CATIA三維設(shè)計軟件對底板結(jié)構(gòu)進行建模并利用其仿真模塊對底板結(jié)構(gòu)進行靜力學有限元仿真分析后，確定底板設(shè)計結(jié)構(gòu)的強度及剛度滿足鍛件加工要求。底板結(jié)構(gòu)及安裝示意如圖1所示。

圖1 工裝底板結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝

1.2 工藝基準墊塊

通常，航空模鍛件在設(shè)計時，為保證后續(xù)加工質(zhì)量，一般會在工藝凸臺位置設(shè)計2個或2個以上的定位基準孔，以達到限制工件在加工時的X、Y向自由度，同時該定位孔也可以作為加工翻面及各加工工序的加工基準，確保各工位的坐標零點及各工序加工基準一致?；鶞士滓话阍O(shè)計在同一直線上，為適應(yīng)鍛件研發(fā)初期可能變化的定位孔孔距，使工裝具有通用性，選擇以十字中心鍵配合矩形鍵的定位方式，在工裝底板棋盤槽內(nèi)實現(xiàn)可移動調(diào)節(jié)基準墊塊間距的模式，達到定位基準孔間距可控、可調(diào)的目標。

1.2.1 十字中心鍵墊塊及使用方法

航空模鍛件一般具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其加工通常采用數(shù)控加工的方式，在工藝準備階段，采用CATIA或其他編程軟件編制程序時，為確保加工質(zhì)量，各工位及各工序的編程零點一般會設(shè)置在同一個基準孔，該基準孔的位置就成為整個加工過程的基準零點，故作為編程及加工的定位基準，十字中心鍵墊塊需要在底板上進行絕對的固定?；谝陨弦蛩?，設(shè)計出的十字中心鍵墊塊結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用方法如下：

1)采用圓錐、圓柱結(jié)構(gòu)，在有效提高墊塊整體支撐剛性的同時降低墊塊重量。

2)底部設(shè)計十字中心鍵，與底板T型棋盤十字槽口進行過渡配合，實現(xiàn)墊塊在工裝底板上位置的絕對固定。同時對其底部十字鍵進行滲氮處理，加強其耐磨性，降低因磨損而造成后期加工定位不準確風險，提高其使用壽命。

3)設(shè)計基準中心孔，過渡配合裝配圓柱銷，對所加工產(chǎn)品進行基準孔零點絕對固定，同時可采用不同的圓柱銷或階梯銷實現(xiàn)對不同大小定位孔的裝夾[3]。

十字中心鍵墊塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 十字中心鍵墊塊

1.2.2 調(diào)節(jié)墊塊結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用方法

采用可移動的調(diào)節(jié)墊塊與十字中心鍵墊塊配合，以實現(xiàn)定位孔中心距可調(diào)的目的，同時限制其在機床坐標Y向的自由度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用方法如下：

1)采用圓錐、圓柱結(jié)構(gòu)，有效提高整體支撐剛性的同時降低墊塊重量。

2)底部設(shè)計矩形鍵，與底板T型槽口進行過渡配合，實現(xiàn)Y軸相對固定，限制其Y向自由度，同時由于其矩形鍵可沿機床X向進行滑動，實現(xiàn)X軸方向基準孔距可調(diào)的目標。同十字中心鍵一樣，對矩形鍵做滲氮處理，加強其耐磨性，降低因磨損而造成后期加工定位不準確風險，提高其使用壽命。

3)頂部設(shè)計基準中心孔，過渡配合裝配菱銷，對所加工產(chǎn)品進行固定。

4)在墊塊支撐面設(shè)計腰型通槽口，實現(xiàn)輔助裝夾，提高裝夾穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)墊塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 矩形鍵墊塊

1.3 工裝實物

萬能工裝經(jīng)設(shè)計、仿真和裝配驗證后，投入并完成實際制作，經(jīng)千分表臨床精度檢測，工裝底板X、Y向T型槽平行度精度0.02 mm、上、下面平面度0.03 mm、上、下面平行度0.05 mm，滿足加工使用要求，實物如圖4所示。

圖4 工裝檢測及實物

2 現(xiàn)場實際使用

為驗證萬能工裝的適用性及可靠性，選取某滑軌進行加工驗證。以該滑軌為典型半精加工零件，該產(chǎn)品截面尺寸約1500 mm×270 mm×145 mm，目前為國產(chǎn)某型號飛行器零件產(chǎn)品中最大的滑軌類產(chǎn)品，根據(jù)滑軌產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸，選擇數(shù)控龍門銑進行半精加工序，該滑軌粗加工工藝路線設(shè)計為：劃線→加工基準面/孔→工位一加工→工位二加工。

2.1 工裝安裝

為提高加工效率，工裝可按加工工位的數(shù)量搭配多塊工裝底板使用，提前安裝好各工位的加工工裝。以滑軌為例，其加工主要有兩個工位，且其外形尺寸在單塊工裝加工范圍內(nèi)，故選用兩塊工裝底板進行裝配，詳細安裝過程如下：

2.1.1 底板安裝

首先將底板與機床平臺進行裝配，且底板槽口與機床平臺槽口對齊，用螺釘固定；底板寬度方向壓板槽口，利用壓板壓緊(根據(jù)實際情況可選擇使用)。

2.1.2 基準墊塊、調(diào)節(jié)墊塊裝配

根據(jù)該滑軌半精加工圖紙，明確待加工產(chǎn)品基準孔孔距為1340 mm±0.2 mm，以此為依據(jù)安裝基準墊塊：

1)清理干凈工裝底板、基準墊塊配合面，確保安裝尺寸的準確性；

2)參照工裝總長及鍛件外形尺寸，確定基準墊塊在工裝底板上的安裝位置；

3)安裝十字中心鍵墊塊，并以螺釘鎖緊；

4)安裝調(diào)節(jié)墊塊，通過機床百分表校正兩墊塊定位銷孔的距離，保證十字中心鍵墊塊基準孔與調(diào)節(jié)墊塊基準孔間距為1340 mm±0.1 mm，并用輔助螺釘鎖緊。

工裝安裝如圖5所示。

圖5 工裝安裝

注：兩塊工裝安裝流程一致，墊塊位置根據(jù)不同工位定位孔位置確定。

2.1.3 待加工產(chǎn)品上工裝前準備

待加工產(chǎn)品上工裝前，首先通過劃線，確定各部位余量后，粗定定位孔位置、并劃X向及水平向找正基準，鍛件上機床(不使用工裝)后，按線墊平、找正裝夾，驗證上、下面余量后，銑工藝凸臺上、下表面，見光即可，同時按圖紙要求鉆、鉸定位孔。此時定位孔大小可根據(jù)實際情況及工裝基準墊塊定位孔大小進行加工，其余部位加工符圖后，再將定位孔大小加工至圖紙尺寸。

2.1.4 待加工產(chǎn)品安裝

待加工產(chǎn)品帶定位孔的工藝凸臺以基準墊塊支撐，其余工藝凸臺以等高墊鐵進行支撐，同時在十字基準墊塊上使用定位銷限制鍛件X、Y向基準自由度，可調(diào)節(jié)墊塊上使用菱銷限制鍛件Y向自由度，最后全部工藝凸臺以螺栓及壓板固定，限制其余自由度，見圖6。

圖6 滑軌裝夾

2.1.5 產(chǎn)品加工

產(chǎn)品安裝完成后，即可按工藝路線要求加工鍛件

1)按工藝及程序單要求調(diào)用程序粗、精加工第一個工位所有尺寸；

2)加工完成后翻面，將產(chǎn)品按上述安裝方式安裝至第二個工位的工裝上，以定位銷定位，確保兩個工位的加工零點一致，并按工藝及程序單要求調(diào)用程序粗、精加工第二個工位所有尺寸。

2.1.6 產(chǎn)品檢驗

最終，歷時70 h，該滑軌使用萬能工裝順利完成加工，加工過程中，未發(fā)現(xiàn)鍛件存在移動等影響加工質(zhì)量的問題，經(jīng)三坐標檢測，零件結(jié)構(gòu)尺寸精度、幾何結(jié)構(gòu)精度完全滿足圖紙設(shè)計要求，首件加工驗證合格，該鍛件已成功交付用戶，工裝結(jié)構(gòu)及其強度、剛度得到初步驗證，加工過程及檢驗如圖7所示。

圖7 滑軌加工及檢驗

2.2 通用性及可靠性驗證

首次加工驗證完成后，按同樣的方式，對不同種類、不同規(guī)格的鍛件使用萬能工裝進行半精加工。通過檢測，所加工的產(chǎn)品皆符合圖紙要求，加工過程質(zhì)量受控，工裝的通用性及可靠性得到了驗證。

2.3 推廣應(yīng)用-組合加工

上述加工的產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)尺寸均在工裝底板結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi)，由于該工裝使用模塊化設(shè)計，采用組合使用的方式可推廣應(yīng)用至超過單塊工裝底板加工范圍的鍛件加工中。對于工裝的組合使用，僅做文字說明，使用方式如下：

1)按鍛件外形尺寸及圖紙要求的定位孔尺寸、數(shù)量及位置，選擇使用工裝底板的數(shù)量；

2)選擇2塊或2塊以上工裝底板配合使用，以基準孔間距確定工裝底板在機床工作臺上的位置；

3)按基準孔間距分別將十字中心鍵墊塊及調(diào)節(jié)墊塊安裝于兩塊或多塊工裝底板上；

4)以常規(guī)輔具等高墊鐵支撐鍛件其余工藝凸臺，同時配合壓板及螺栓壓緊鍛件。

后續(xù)鍛件安裝方式和使用單塊工裝底板一致，不再做描述。

3 結(jié)束語

針對航空模鍛件小批量、多品種、快節(jié)奏的科研生產(chǎn)要求所帶來的專用加工工裝費用高、周期長、存放難的難題，通過設(shè)計適應(yīng)不同種類、不同結(jié)構(gòu)鍛件加工需求的萬能工裝，經(jīng)過實際使用，成功完成了多批次、多種類鍛件的加工任務(wù)，驗證了該工裝的適用性、可靠性及該類工裝設(shè)計的可行性，對其它領(lǐng)域類似鍛件科研生產(chǎn)及常規(guī)鍛件加工工裝設(shè)計有很好的借鑒意義。