淺談中托架類零件設(shè)計(jì)對其可加工性的影響

鄢 文

（特靈科技亞太研發(fā)中心，江蘇 太倉 215400）

機(jī)械設(shè)計(jì)作為機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的初始階段，設(shè)計(jì)會影響后續(xù)的加工環(huán)節(jié)和產(chǎn)品最終質(zhì)量[1]。在直聯(lián)、分體式螺桿壓縮機(jī)機(jī)組裝配時(shí)，由于壓縮機(jī)軸和電機(jī)軸的同軸度要求較高，且校正同軸度耗時(shí)費(fèi)力，通常會采用中托架來連接壓縮機(jī)機(jī)頭和電機(jī)，所以對中托架兩裝配孔的同軸度要求較高，孔加工成為該零件的加工難點(diǎn)。對于一般能力的數(shù)控機(jī)床而言，兩端臺階孔必須經(jīng)過二次裝夾才能分別加工兩孔，二次裝夾不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很難保證零件的同軸度要求。王芳林等[2]在機(jī)加工零件可制造性分析的特征識別中提到，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的決策對于產(chǎn)品的成本、質(zhì)量和制造周期具有重要的影響作用。由此可見，要改善零件的可加工性，應(yīng)該從零件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化機(jī)加工工藝。

本文通過實(shí)際案例，分析零件改善設(shè)計(jì)前后的機(jī)加工工藝，找到機(jī)加工難點(diǎn)，從而驗(yàn)證了機(jī)械設(shè)計(jì)對零件的可制造性有較大影響。

1 零件的工藝分析

如圖1、圖2 所示，機(jī)頭和電機(jī)采用直聯(lián)，利用中托架兩孔保證裝配同軸度，加工時(shí)主要難點(diǎn)為兩孔同軸度要求較高。近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，上述零件采用一般CNC 機(jī)床即可加工完成。出于經(jīng)濟(jì)性以及供應(yīng)商能力考慮，暫不分析車銑復(fù)合多聯(lián)動機(jī)床加工工藝。

圖2 中托架軸測圖

如圖3 所示，中托架為一回轉(zhuǎn)形零件，其K 孔與T 孔有同軸度要求，兩端面有平行度及平面度要求，其余各孔符合圖紙一般公差即可。該零件可通過車削→鉆削→車削加工完成，也可通過銑削→鉆削→鏜削完成。由于普通CNC 機(jī)床加工能力限制，K 孔無法與T 孔在同一工序加工，無論采取哪種方式加工，必須進(jìn)行二次裝夾。

圖3 中托架零件圖

1.1 加工方式選擇

上述兩種工藝路線分別對應(yīng)數(shù)控車床和加工中心。加工中心可以同時(shí)完成銑削、鉆削、鏜削等所有工序，但受制于鏜孔刀具（圖4）只能手動調(diào)節(jié)背吃刀量，效率較低，故暫不選擇加工中心來制定工藝流程。而車刀（圖5）的背吃刀量可以通過加工程序控制，效率較高，加上中托架為回轉(zhuǎn)類零件。因此，本案例將采取車床為主導(dǎo)來制定加工工藝。

圖4 精鏜刀

圖5 內(nèi)孔車刀

1.2 機(jī)加工工藝路線

中托架的機(jī)加工工藝流程見表1，主要涉及臥式車床和立式鉆床加工。在機(jī)械加工的每一道工序中，總要對工藝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整工作，由于調(diào)整不可能絕對地準(zhǔn)確，因而產(chǎn)生調(diào)整誤差[3]，也就是前文提到二次裝夾所產(chǎn)生的誤差。該零件工藝流程并不復(fù)雜，但是精加工時(shí)，調(diào)頭裝夾校正同軸度費(fèi)時(shí)耗力，調(diào)整誤差較大，對操作人員的要求較高，加工成本隨之上升。

表1 工藝卡片1

為了更直觀地表達(dá)二次裝夾對零件同軸度的影響，這里將問題簡化為數(shù)學(xué)模型。如圖6 所示，零件最后一道工序精加工時(shí)，以孔S 及大端面為基準(zhǔn)裝夾。假設(shè)用百分表校正零件，則校正誤差為0.01 mm。

圖6 裝夾示意圖

如圖7 所示，設(shè)孔K 的軸線在X、Y平面的投影為N1，孔T 的軸線在X、Y平面的投影為N2，A、B點(diǎn)為孔T 軸線起始點(diǎn)在零件長度方向的投影。為更清晰地描述同軸度誤差與零件長度的關(guān)系，在兩孔軸線上分別取C、D、E、F、G點(diǎn)，B點(diǎn)到G點(diǎn)等距分布，A點(diǎn)到G點(diǎn)距離為零件長度。理想狀態(tài)下，N1 與N2 重合。假設(shè)N1 與N2 在A點(diǎn)重合，校正誤差為0.01 mm，則N1、N2 在B點(diǎn)處的最大距離H為0.01mm，A點(diǎn)到B點(diǎn)距離6 mm 以L表示，N1 與N2 的夾角為α。由斜度公式tanα=H/L可得N1 與N2 夾角。分別計(jì)算出N1 與N2 從C點(diǎn)到G點(diǎn)的最大距離，如圖8 所示，假設(shè)誤差沿距離線性分布，誤差H與零件長度L成正比，在G點(diǎn)處，N1 與N2 的距離達(dá)到了0.32 mm，這樣的結(jié)果顯然無法接受，需要探索更好的解決辦法。

圖7 簡化數(shù)學(xué)模型

圖8 同軸度誤差與零件長度

1.3 工藝路線優(yōu)化探索

在機(jī)械加工中，誤差是不可避免的，只有對誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)地分析，才能采取相應(yīng)的預(yù)防措施減少加工誤差，提高機(jī)械加工精度[4]。設(shè)計(jì)工裝無疑是一個(gè)很好的解決辦法，但如果批量不大，成本會顯著上升。探索過程中發(fā)現(xiàn)，可以通過更改零件設(shè)計(jì)來優(yōu)化該零件的可加工性。

中托架的作用是連接機(jī)頭和電機(jī)，兩端孔均采用間隙配合。如圖1 所示，小端面與機(jī)頭連接，限制機(jī)頭Z方向移動及X、Y方向轉(zhuǎn)動，孔K 限制機(jī)頭X、Y方向移動，其余4 孔采用螺栓連接限制Z方向轉(zhuǎn)動，6 個(gè)自由度約束完成。由此可以判斷，孔P 在該零件中只是一個(gè)工藝孔，如果去除該孔對零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響在接受范圍以內(nèi)，可以考慮去除該特征，從而優(yōu)化加工工藝。

首先進(jìn)行理論分析，分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布[5]。而中托架主要承受的是機(jī)頭傳遞的反扭矩，應(yīng)力主要分布在離軸線較遠(yuǎn)的區(qū)域。

再通過有限元分析驗(yàn)證，分析中托架在電機(jī)啟動、停機(jī)瞬間的最大應(yīng)力。已知電機(jī)的扭矩為119 N·m，如圖10、圖11 為該孔去除前后FEA 的應(yīng)力對比分析結(jié)果。最大應(yīng)力分布在離軸線較遠(yuǎn)的區(qū)域，去除該孔前，中托架最大應(yīng)力σ為2.03 MPa，去除該孔后，中托架的最大應(yīng)力σ為2.05 MPa，差異不大。零件材料為HT150，材料的屈服強(qiáng)度σs=145 MPa[6]，最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力：

圖10 中托架應(yīng)力分布（更改前）

圖11 中托架應(yīng)力分布（更改后）

式中：[σ]為零件的許用應(yīng)力，MPa；S為安全系數(shù)，取3～4[7]。代入式（1）和式（2）計(jì)算得[σ]=36.25 MPa，滿足σ≤[σ]。

中托架大端與電機(jī)法蘭采用同樣方式連接，孔S 作為工藝孔，不可去除，其余約束與小端相同，在此不做冗余分析。去除孔P 后，如圖12 所示，該零件在精加工時(shí)可以從Z軸一側(cè)進(jìn)刀，一次性完成T 孔與K 孔的精加工，利用機(jī)床自身的精度來保證零件精度，極大提高了零件的加工精度和可加工性。表2 為更改設(shè)計(jì)后的機(jī)械加工工藝卡片。

表2 工藝卡片2

圖12 中托架零件圖（更改后）

優(yōu)化后的零件，裝夾時(shí)不再需要人工校正同軸度，避免了人工操作可能導(dǎo)致的誤差，提高了零件的可加工性，間接降低了制造成本。

2 零件成本分析

零件的成本與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、裝配等息息相關(guān)，在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，制造工藝和成本控制已經(jīng)成為設(shè)計(jì)師需要考慮的重要因素[8]。為了實(shí)現(xiàn)零件的功能，零件的材料、特征包括工藝流程等基本上在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)決定。不可否認(rèn)的是產(chǎn)品制造依然對產(chǎn)品成本存在一定影響，從制造端降低成本依然是一種有效的方法和手段[9]。產(chǎn)線裝配可以設(shè)法提高效率，但是采購類零部件，供應(yīng)商往往不會反饋零件的設(shè)計(jì)是否存在缺陷或者加工困難，供應(yīng)商是從制造的角度來研究如何將零件按圖紙要求生產(chǎn)出來，不會過多了解零件的用途、功能等。

上文分析的中托架，初次設(shè)計(jì)時(shí)，供應(yīng)商能按圖加工，最終收到的反饋是零件的成本偏高，但是首件試制，沒有大批量，也是成本偏高的一個(gè)原因。很難判斷是哪一個(gè)環(huán)節(jié)導(dǎo)致成本偏高。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造之間的信息溝通障礙是一個(gè)關(guān)鍵問題，可制造性分析可以克服這種障礙，使得在設(shè)計(jì)階段就可以發(fā)現(xiàn)潛在的制造問題并向設(shè)計(jì)者提出改進(jìn)建議，從而成為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[10]。

3 結(jié)語

筆者通過分析零件設(shè)計(jì)變更前后的機(jī)加工工藝，驗(yàn)證了機(jī)械設(shè)計(jì)階段的決策對零件加工制造有較大影響，回轉(zhuǎn)類零件一般有同軸度要求，應(yīng)該盡可能地一次裝夾完成精加工，從而保證零件精度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷改善的過程，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，除了實(shí)現(xiàn)零件的功能，保證可靠性以外，工程師應(yīng)該對零件的制造、裝配、運(yùn)輸和售后等下游環(huán)節(jié)充分考慮，進(jìn)行可制造性分析，減少可控?fù)p失。