電機殼體工序分析和夾具設計

譚 鵬,童章印,李洪濱

(北京航空航天大學 寧波創(chuàng)新研究院,北京 315800)

0 引 言

電機殼體一般是為殼體內所包覆的產(chǎn)品提供保護和散熱作用,同時為整機提供方便快捷的安裝固定結構[1]。隨著輕量化、節(jié)能減排的發(fā)展趨勢,現(xiàn)絕大部分殼體零件均是采用鋁合金制造,鋁合金切削加工難度和加工刀具損耗均低于普通碳鋼,但是其結構相對較為復雜[2-3]。本文主要通過對所述殼體部分結構優(yōu)化,確認機械加工工藝,設計各工序配套夾具,最終通過合理的工藝布局優(yōu)化,鎖定了相應結構和工藝,快速有效地實現(xiàn)了零件制造品質和加工效率,保障了零件的及時交付[4-6]。

1 圖紙分析

產(chǎn)品加工、夾具設計、工藝優(yōu)化,都是以顧客提供的二維圖為導向,在確定加工工藝之前,一定要對圖紙加工尺寸、加工精度進行詳細分析,確保加工成品完全符合圖紙要求。

圖1 電機殼體二維圖(單位:mm)

為滿足該零件的加工要求,便于加工過程中尺寸的有效控制,這里對基準孔A厚度的尺寸鏈進行計算,結合尺寸鏈計算的基本公式[7-8],求出該厚度的基本尺寸和最大尺寸誤差及最小尺寸誤差。

1.1 極值法各環(huán)基本尺寸之間的關系

封閉環(huán)的基本尺寸A0等于增環(huán)的基本尺寸之和減去減環(huán)的基本尺寸之和,即:

根據(jù)公式,確定基準孔A厚度的封閉尺寸環(huán)如圖2所示。為便于計算和增減環(huán)的確認,如圖3所示,求得A0=48.7 mm-47.7 mm=1.3 mm。

圖2 基準孔A厚度尺寸鏈(單位:mm)

圖3 基準孔A增減環(huán)

1.2 各環(huán)極限尺寸之間的關系

封閉環(huán)的最大極限尺寸A0max,等于增環(huán)的最大極限尺寸之和減去減環(huán)的最小極限尺寸之和,即:

代入公式求得A0max=(48.7 mm+0.015 mm)-(47.4 mm-0.02 mm)=1.135 mm。

封閉環(huán)的最小極限尺寸A0min,等于增環(huán)的最小極限尺寸之和減去減環(huán)的最大極限尺寸之和,即:

代入公式求得A0min=(48.7 mm-0.015 mm)-(47.4 mm+0.02 mm)=1.265 mm。

1.3 各環(huán)上、下偏差之間的關系

封閉環(huán)的上偏差ES(A0)等于增環(huán)的上偏差之和減去減環(huán)的下偏差之和,即:

如圖3所示,增環(huán)為A1,減環(huán)為A2。代入公式求得ES(A0)=0.015 mm-(-0.02 mm)=0.035 mm。

封閉環(huán)的下偏差EI(A0)等于增環(huán)下偏差之和減去減環(huán)的上偏差之和,即:

代入公式求得EI(A0)=-0.015 mm-0.02 mm=-0.035 mm。

結合以上公式,求得基準A壁厚為(1.3±0.035) mm。

2 工序分析

加工零件前應當集中考慮所有工序,盡可能通過一次裝夾完成所有工序或最大區(qū)域加工[9]。結合圖紙要求,應明確該零件需要幾道工序加工完成,確定零件每工序加工區(qū)域,哪一工序應該采用什么設備,在這一工序上最大能完成哪些加工內容,如何保證該加工內容尺寸精度。往往在同一工序里需用到不同的切削參數(shù)對工序加工區(qū)域進行切削,這樣的切削就稱作工步,工序有效劃分同時還包含工步的劃分。工步常見的劃分有以下3種:在一個加工面上分為開粗加工、半精加工、精加工工步,分別按順序加工完成;鉆孔攻牙和銑面加工在同一工序時,需先銑面后打孔攻牙,好處是絲錐和鉆頭損壞后能及時止損,防止銑刀跟著損壞;同一刀具在加工過程中盡量控制刀具,在加工區(qū)域一次加工完成,避免多次換刀造成不必要的時間浪費。

基于以上工序分配原則,結合本文所述零件,為保障該零件的加工品質和制造效率,該零件共采用4道工序進行生產(chǎn)布局。工序OP10～OP40的加工區(qū)域分別如圖4的綠色區(qū)域所示。

圖4 OP10～OP40加工區(qū)域

3 夾具設計

3.1 夾具類型

目前常用的夾具共有4大類,分別是通用夾具、專用夾具、可調夾具和組合夾具[10-11]。通用夾具是指目前市場上已經(jīng)實現(xiàn)標準化的夾具,如常見的臺虎鉗、通用卡盤、G形夾、T形螺栓組件等,通用性比較強,能快速適應所需加工對象的夾持加工,且這些結構都已經(jīng)完全定型,還形成了各種規(guī)格及尺寸的系列化,想要怎樣規(guī)格都可以直接買到;主要缺點是不適合批量生產(chǎn),重復定位精度較差,生產(chǎn)加工效率較低。專用夾具是為一款零件單獨設計加工制造的,為這款零件的一項工序量身定制的,這類夾具主要適合于大批量零件生產(chǎn),能夠有效地提升產(chǎn)品加工精度和生產(chǎn)效率?？烧{夾具可以通過調整夾具姿態(tài)或更換夾具配件,快速實現(xiàn)同一類型產(chǎn)品不同規(guī)格的快速換產(chǎn)。組合夾具指的是市場、內部已經(jīng)標準化或正在執(zhí)行標準化的器件組合而成的夾具,用于新品開發(fā)、臨時加工和小批生產(chǎn)。

3.2 工序夾具設計

結合上述夾具類型,本文的殼體零件采用4道工序,為保證每道工序夾具的可靠性和加工過程的穩(wěn)定性,分別對OP10工序、OP20工序、OP30工序、OP40工序對應夾具進行設計制造。

3.2.1 OP10工序夾具

考慮第一工序主要是為后續(xù)做鋪墊,這一工序以粗加工為主,該工序設備采用普通立式三軸加工中心。加工夾具采用臺虎鉗作為該工序定位夾持夾具,通用臺虎鉗只能限制加工零件的5個自由度,不能限制X向的移動。為滿足批量生產(chǎn),結合產(chǎn)品實際情況,需根據(jù)虎鉗配合尺寸自制一套鉗口來替換通用鉗口,自制鉗口替換到通用夾具如圖5(a)所示。通過該定位夾持裝置,可有效保證該工序的快速裝夾和穩(wěn)定生產(chǎn),夾持零件如圖5(b)所示。通過該夾具,加工尺寸如圖5(c)所示。這里對加工完成后各區(qū)域的加工余量做一個介紹,加工區(qū)域外徑單邊預留1.5 mm余量,主要是考慮加工切削力較大,后工序對應的夾持力也會偏大,容易造成零件表面夾傷顯現(xiàn),內孔單邊預留0.4 mm,主要是考慮在OP20加工過程中內孔尺寸精度不能保證,切削9 mm凸圓臺目的是為了夾持穩(wěn)定可靠。

圖5 OP10工序夾具

3.2.2 OP20工序夾具

使用OP10工序加工的成品,進入OP20工序進行加工,該工序采用數(shù)控車床。數(shù)控車床常用卡盤類型有手動、氣動、液壓、電動和機械類,常用卡爪規(guī)格有兩爪、三爪、六爪和特殊卡爪,這些卡爪又分為軟爪和硬爪。結合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況,這里采用手動三爪軟爪卡盤進行生產(chǎn)。根據(jù)車床卡盤的定位原理,只要滿足5自由度限位,就可以保證車序工件重復精準定位加工,由于零件夾持長短不同,一般能限制零件2個自由度和4個自由度,為保證零件有效定位,軟爪夾持直徑加工至φ61.2 mm,臺階深度加工至10 mm,且把卡爪大面光一刀用于限制零件的軸向移動,由此實現(xiàn)4自由度控制,手動三爪軟爪卡盤如圖6(a)所示,零件三爪夾持定位方式如圖6(b)所示。通過該工裝合理設計結合相應的切削參數(shù),本工序加工完成零件如圖6(c)所示,有效保證了φ57孔與基準孔A同心度0.02 mm,同時保證了基準面C的平面度0.01 mm和基準面與基準A軸線垂直度0.02 mm,其余尺寸均能按圖紙要求控制在合格范圍內。

圖6 OP20工序夾具

3.2.3 OP30工序夾具

圖7 OP30工序夾具

3.2.4 OP40工序夾具

圖8 OP40工序夾具

為保證零件定位的可靠性,這里對該零件定位誤差的計算和夾持方式分別敘述。在零件生產(chǎn)過程中,產(chǎn)生誤差的因素有很多,定位誤差僅是在加工過程中產(chǎn)生誤差的一個點,一般零件定位誤差不超過產(chǎn)品加工公差的1/5～1/3。

圖9 定位銷與定位孔尺寸公差(單位:mm)

4 結 語

通過對殼體加工工藝的分析,結合加工尺寸鏈及夾具定位精度的核算,完成了該殼體所有工序配套加工夾具的設計。通過每道工序所對應的夾具,可有效縮短每件成品的加工工時,大幅提升了該殼體零件在機加工序的流轉速度,不僅保障了各工序的加工穩(wěn)定性和加工精度,還保證了每批次訂單的順利交付。