管接嘴零件柔性加工工藝研究

羅賽南，方樹(shù)言，鄧云發(fā)，宋 潔

（1.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330095；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展迅速，在各工業(yè)領(lǐng)域中生產(chǎn)和使用的閥體和管路連接頭等零部件日益增多，這些零件包括直通管、直角彎頭、三通管、四通管等，過(guò)去對(duì)三通管生產(chǎn)方法多采用焊接、鑄造、機(jī)械加工的方式，并且在機(jī)械加工的過(guò)程中采用普通的配套工裝和夾具，這些都大大降低了零件的加工精度[1-2]。隨著加工水平的日益提高，針對(duì)管接嘴類零件的加工中，夾具在夾緊零件的過(guò)程中往往容易使工件變形，從而造成加工后的零件產(chǎn)生誤差[3-4]。因此，選擇合理的夾緊裝置尤為重要，這樣既能減少夾具的夾持面，又能保證所需的最大夾緊力，從而生產(chǎn)出合格的零件[5-6]。 在眾多夾緊裝置的選擇中，工件在裝夾過(guò)程中的變形規(guī)律需要研究，但以往文獻(xiàn)很少對(duì)該方面進(jìn)行研究。以三通管為例，針對(duì)三通管典型的加工方案進(jìn)行研究分析，為管接嘴類零件的加工提供高效快捷的加工方法。

1 零件裝夾方案設(shè)計(jì)和仿真分析

1.1 零件裝夾方案設(shè)計(jì)

對(duì)三通管進(jìn)行夾緊變形的分析，利用分度卡盤(pán)來(lái)作為夾緊裝置，從而研究確定合理的裝夾方案。三通管坐標(biāo)系如圖1 所示，以回轉(zhuǎn)中心軸線相交的點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)o，其中，x 軸、y 軸分別表示管接頭的軸線，卡盤(pán)工作臺(tái)與回轉(zhuǎn)軸線重合的軸線表示為z 軸。另外，y 軸正向用1 端表示，x 軸負(fù)向用2 端表示，x 軸正向用3 端表示。

圖1 三通管坐標(biāo)系

三通管裝夾在分度卡盤(pán)上的相對(duì)位置示意圖如圖2 所示，三通管裝夾時(shí)，z 軸方向表示卡盤(pán)零件相對(duì)位置，分度卡盤(pán)的下夾頭安裝在分度旋轉(zhuǎn)軸上，并且與其固聯(lián)，上夾頭安裝在夾頭座上且隨工件旋轉(zhuǎn)。

使用分度卡盤(pán)對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)，其中，零件需要完全定位在下夾頭上。 在設(shè)計(jì)工件的下夾頭造型時(shí)，有兩種方式，分別為U 形夾頭與工件為面接觸方式和V 形夾頭與工件為線接觸方式，這兩種夾頭都限制了工件的六個(gè)自由度，而U 形夾頭與工件接觸面積較大。上夾頭可以采用與下夾頭相同的內(nèi)腔面，也可以采用平壓頭，采用U 形或V 形上夾頭可以提高工件定位準(zhǔn)確度，而平壓頭具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1） 易于制備；

2） 適應(yīng)范圍廣；

3） 由于上夾頭繞z 軸旋轉(zhuǎn)的自由度并未限制，因此使用平壓頭可以避免夾頭錯(cuò)位壓傷工件表面。圖3 為四種裝夾方案示意圖，其中方案（a）為U 形下夾頭與平壓頭裝夾，方案（b）為U 形下夾頭與U 形上夾頭的裝夾，方案（c）為V 形下夾頭與平壓頭裝夾，方案（d）為V 形下夾頭與V 形上夾頭的裝夾。

1.2 零件裝夾仿真分析

采用Solid Works 軟件分別對(duì)工件和夾具建立模型并裝配，采用ABAQUS 軟件對(duì)工件裝夾變形進(jìn)行仿真分析，圖4 表示對(duì)圖3 工件裝夾方案進(jìn)行分析工件和夾頭的應(yīng)力云圖輸出，發(fā)現(xiàn)上、下夾頭均為U形頭時(shí)，夾具與工件的接觸面積最大，此時(shí)的工件所受到的應(yīng)力最小。

圖4 三通管在U 型下夾頭及平壓頭裝夾的應(yīng)力變形仿真云圖

2 零件加工工藝研究分析

2.1 切削力、夾緊力作用下的加工誤差分析

管接嘴類零件的加工過(guò)程中，除了夾具在裝夾過(guò)程中的應(yīng)力會(huì)給零件加工帶來(lái)誤差外，零件加工過(guò)程中的切削力也會(huì)影響零件的加工精度，加工過(guò)程中的切削力Fc來(lái)源于刀具在切削時(shí)受到工件的彈塑性變形力以及摩擦力，這些力可以分解為如圖5 所示相互垂直的三個(gè)分力，即進(jìn)給抗力Fx（軸向力），切深抗力Fy（徑向力），主切削力Fz（切向力）。

圖5 外圓車削時(shí)的切削力及其分解

影響切削力大小的因素包括工件材料、切削用量、刀具相關(guān)參數(shù)以及切削液等，其中切削用量主要包括切削深度ap、進(jìn)給量f、切削速度vc。目前，常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切削力，加工時(shí)，利用測(cè)力儀測(cè)出切削力，再將測(cè)得數(shù)據(jù)適當(dāng)處理，得到切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，其形式為：

式中， 系數(shù)CF取決于工件及刀具材料，xF、yF、zF是各切削用量的指數(shù)。

根據(jù)車削用量推薦表，選定外圓半精加工時(shí)的切削用量為：ap=1.5mm，f=0.18mm/r，vc=250m/min，代入經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，則Fx=75N，F(xiàn)y=74N，F(xiàn)z=262N，為了方便不同切削力下的工件變形情況對(duì)比，按照表1中的切削力數(shù)值進(jìn)行仿真計(jì)算。

表1 仿真分析切削力數(shù)值選用表

圖6 所示為A、B、C、D 四個(gè)點(diǎn)所在橫截面，圖中外側(cè)虛線表示零件的原加工面，為標(biāo)準(zhǔn)圓；外側(cè)實(shí)線表示在夾緊力和切削力作用下變形的零件外圓面；內(nèi)側(cè)虛線表示理想加工軌跡，為標(biāo)準(zhǔn)圓；內(nèi)側(cè)紅色實(shí)線表示加工后發(fā)生回彈的零件外圓表面；圖中剖面線的區(qū)域表示加工中銑切的部位。

圖6 橫截面

零件外圓面的誤差值如表2 所示，其中正值代表預(yù)測(cè)值比理想值大。模型數(shù)據(jù)分析表明：零件加工過(guò)程中，直徑AC 方向所受切削力變化影響最大。

表2 零件外圓面的誤差值預(yù)測(cè)匯總表

2.2 加工離心力測(cè)試分析

液壓分度卡盤(pán)采用液壓油缸施加夾緊力，優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的、平穩(wěn)的夾緊力，且操控簡(jiǎn)單。但在加工過(guò)程中，油液壓力保持不變時(shí)，由于離心力的影響，實(shí)際施加的夾緊力會(huì)減小，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，夾緊力減小量較少，通?？梢院雎?，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，夾緊力減小量較大，影響切削效果，針對(duì)液壓分度卡盤(pán)夾緊力受離心力影響設(shè)計(jì)了一套夾緊力檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)夾緊力損耗進(jìn)行量化分析。為獲取液壓卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)夾緊力，搭建無(wú)線測(cè)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)夾緊力的信號(hào)采集及數(shù)據(jù)的無(wú)線通訊。測(cè)力系統(tǒng)組成包括傳感器與測(cè)試工裝、信號(hào)處理與傳送模塊、供電模塊等。

傳感器外形尺寸如圖7 所示，其材質(zhì)為不銹鋼，靈敏度為2mV/V，量程為1.5T。 為保證安全，根據(jù)液壓卡盤(pán)的接口尺寸為傳感器設(shè)計(jì)工裝夾具，下夾具尺寸如圖7 中（b）所示，上夾具尺寸如圖7 中（c）所示，圖7 中（d）為裝配完成后的實(shí)物圖。

圖7 傳感器尺寸與實(shí)物圖

采用STM32F4 核心板作為系統(tǒng)處理器進(jìn)行處理，其中模塊的采集電壓信號(hào)范圍0V~+3.3V，反饋電阻阻值選擇為330Ω，此時(shí)放大倍數(shù)約為304 倍；當(dāng)傳感器5V 供電時(shí)，放大后的理論最大信號(hào)電壓為3.04V。將傳感器安裝到分度卡盤(pán)上，分別改變油液壓力、主軸轉(zhuǎn)速，并讀出夾緊力數(shù)值，分度卡盤(pán)夾緊力測(cè)試結(jié)果如表3，夾緊力與油液壓力之間的關(guān)系如圖8 所示，從中可知，油液壓力越大，夾緊力損失越小。表4 表示轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下卡盤(pán)夾緊力損失的數(shù)值，由此可知，夾緊力受離心力影響有一定損失，夾緊力損失隨轉(zhuǎn)速增大呈指數(shù)增大。

表3 分度卡盤(pán)夾緊力測(cè)試結(jié)果

表4 分度卡盤(pán)夾緊力損失匯總

圖8 不同轉(zhuǎn)速下夾緊力折線圖

3 結(jié)論

1） 管接嘴零件的加工過(guò)程中，加工精度受到裝夾過(guò)程中的應(yīng)力和切削力的影響；采用U 形上、下夾頭時(shí)，夾具與工件接觸面積最大，工件應(yīng)力最小。

2） 工件受切削力加工時(shí)，徑向力工件影響較大。

3） 夾緊力受離心力影響有一定損失，夾緊力損失隨轉(zhuǎn)速增大呈指數(shù)增大；

4） 夾緊力損失跟油液壓力還有相關(guān)性，油液壓力越大，夾緊力損失越小。