薄壁零件车工夹具设计

摘要:文章研究表明,简单的一个夹具设计工艺优化措施对于薄壁零件的加工具有重要的影响作用。因此,在数控编程之前进行充分的工艺分析,采取合理的优化方法,是一种减少薄壁零件变形和损失的主动的和更有效的方法。通过工艺分析得出该薄壁零件在装夹及加工中易产生变形,从而确定出切实可行的解决方法。

关键词:薄壁零件;车工夹具设计;装夹方法;数控加工

中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0035-02

一、薄壁零件的特点

薄壁零件由于其刚性好、比强度高、相对重量较轻等优点,使得薄壁零件在社会中的运用越来越广泛。薄壁零件主要是指零件的壁厚小于2mm的零件。而社会上对薄壁零件的使用主要在于航空领域,航空产品对结构材料要求轻质高强和高温耐蚀。所以铝合金以其密度小、塑性好、耐腐蚀、易加工、价格低等优点,长期以来一直作为航空航天工业的主要结构材料,本文课题研究的主要材料也就是铝合金。

(一)薄壁零件的结构特点

薄壁零件一般由侧壁和腹板构成,结构复杂、体积较大、相对刚度较低。其不仅要满足航空产品的设计性能要求,而且在保证同样强度和刚度的情况下,结构重量要轻。不同的薄壁零件具有其自身不同的结构特点,下面将选择具有代表性的飞机机体结构中的薄壁零件逐一叙述。

1.整体壁板:整体壁板是广泛应用于现代飞机的承力薄壁零件,其主要由蒙皮、筋条、凸台等部分结构组成。整体壁板的优点就是外形准确,表面光滑,比强度较高,结构重量较轻,减少了零件和连接件的数量,简化了协调关系,减少了装配工作量;而缺点就整体尺寸与截面尺寸向比较大,相对刚性较低,易变形。

2.梁类零件:梁类零件是飞机的重要受力薄壁零件。由机性能不断提高,对梁的要求也越来越高,即要减轻重量,又要提高强度和刚度,因此,梁类零件的构形都比较复杂。从截面结构形状来看,一般可分为工字形、U字形以及更复杂的异形截面等。大多梁类零件的复杂结构特点,给机械加工增加了难度,特别是加工变形问题更为突出,因此,要达到图纸及装配要求较为困难。如C-17型飞机的整体翼梁腹板是航空工业最大的构件。其材料为7475合金,在加工及应力消除时特别容易产生应力挠曲。该产品是在采用了残余应力管理(RSM)技术以后,其切削加工件才完全符合图纸要求,挠曲量在0.175mm内,水平度在0.25mm范围内。

3.缘条、长桁类零件:缘条、长桁类零件一般都是机身、机翼纵向结构重要的受力薄壁零件。缘条类零件的形状较为复杂,其常用于大型飞机的机翼或尾翼,构成梁的装配件,一般有诸多配合平面、槽口和交点孔。长桁类零件也广泛应用于机身、机翼,虽然也是细长类零件,但受力情况和结构形状比缘条简单。缘条、长桁类零件一般采用挤压型材,以减少切削加工后的变形,且由于装配连接的需要,头部的大截面采用挤压型材,从而使缘条或长桁与接头形成一个整体,以减少协调误差,避免装配应力。

4.框体类零件:框体类零件是飞机机体横向结构的主要承力薄壁零件,同时又是形成和保持机身径向外形的主要结构件。作为飞机机体结构中的典型薄壁零件,框体结构主要由与机身理论外形成等距的外形曲面、内形曲面、加强筋以及框轴线为对称轴的双面(或单面)有凹槽框格结构的腹板组成,简单的说,即是由侧壁和腹板构成,壁厚一般为1.5～2mm。框类零件的连接部位一般为结合槽口、结合平面等,而同一框体内的腹板有等厚度和变厚度两种情况,框的横截面形状则有工字形、U字形等。

(二)薄壁零件的工艺特点

薄壁零件的结构特点,决定了其不同于其它机加工类零件的工艺特点,主要包括以下几个方面:

1.薄壁零件的整体尺寸较大,结构比较复杂,并且工件的壁厚较薄,在加工过程中极易产生加工变形,零件的变形控制及矫正工作是加工过程中的重要内容。

2.薄壁零件结构零件的截面积较小,而外廓尺寸相对截面尺寸较大,在加工过程中,随着零件刚性的降低,容易发生切削振动,严重影响零件的加工质量。

3.薄壁零件不仅要具有较高的加工尺寸精度,而且零件的协调精度也有非常高的要求。如槽口、结合孔、缘条内套结合面以及接头等部分之间的位置精度要求高,加工这些装配要求的表面,必须符合协调依据才能保证零件装机使用要求。

4.薄壁零件的选材多为高强度铝合金,虽然其为易切削材料,但问题的关键在于加工变形的控制,常规的加工工艺无法保证加工精度。而且铝合金材料的缺口敏感性强,一般采用手工或机械打磨达到表面粗糙度要求,其打磨量占全部工作量的20%以上,但随着数控加工技术的进一步完善与发展,打磨工作量将会逐渐减少。

二、装夹方法的改进

薄壁零件加工中装夹方式的改进,可根据零件的结构特点和工艺特点来制定合适、有效的装夹措施。如工艺凸台的广泛应用,真空夹具的局部采用,石膏填充的试验等。在薄壁零件的加工过程中,利用压紧螺栓和工艺凸台来固定工件,既改变了夹紧力对工件变形的影响,又避免了专用夹具带来的制造成本的提高,而工艺凸台的合理布局,对工件的加工变形控制也有较好的帮助。对于采用真空夹具的装夹方式来说,真空夹具既可以起到支撑作用,又可以起到吸附作用,对防止、抑制切削过程中的切削振动很有帮助,是目前提高薄壁零件侧壁加工质量的有效手段。

总的来说,不同的装夹方式均有自己不同的特点,采用何种装夹方式,要综合考虑被加工零件的结构特点、工艺特点以及加工质量要求等诸多因素。对于薄壁零件的加工,本文采用软爪来装夹工件,既简单,成本又低,是一种方便有效的装夹方式。

(一)工艺分析

如图1所示,要求找正零件外圆φA来加工右端面的内孔φ175,而零件壁厚只有0.8mm。对于这样一个零件要实现其加工要求,通常可以采用两种加工方法:一种是激光切割,另一种是车削加工,但由于该零件的工作环境,决定其不能采用高温加工。在这种情况下就只能采用车削加工了,对于这个薄壁零件,无论是采用硬爪还是软爪,装夹零件时都会使其变形,而以零件的左端面及其上的内孔定位来设计夹具时,尽管装夹零件时不会发生变形,但在加工内孔时零件还是会产生变形。因此要实现加工目的,必须使设计出的专用能解决零件在装夹及加工中易变形的现象。

(二)车工夹具结构设计

图2就是根据零件特点及加工要求设计的专用夹具。在这次设计中解决了以下两个难点,从而使夹具满足了工艺要求:

1.解决了零件在装夹及加工中容易变形的难点。如图2中的左视图所示:件1件2与件5之间采用圆锥配合,这样沿轴向施加外力推动件5向左移动就会带动件1件2向外移动,直至与零件内腔壁接触,从而把零件撑紧。这时零件与夹具组成一个刚性整体,这样用软爪夹紧零件并对它实施加工时就不会发生变形了。

2.解决了装卸零件困难的难点。从图1可以看出,零件是一个两端半封闭的圆筒形,其进口小内腔大,在这样的条件下要通过内腔把零件撑紧,就必须要想办法使定位块穿过零件的小径达到零件的内腔。如图2中的主视图所示:把定位件设计成形状不同的定位件件1和件2(各2块),由它们组成一个共同的外圆,其大小正好等于零件的内腔。这两个定位件在夹具中的状态是不一样的,其中件2通过件6与件3连接在一起,是不能取下的只能做径向移动。而件1不仅可以做径向移动而且可以取下。通过它们的径向移动就可解决装卸零件困难的难点。

另外,该夹具没有与机床法兰盘相连的位置,要利用它来进行加工还必须与专用的软爪配合使用。其次件5在夹具中是活动的,因此加工零件时需通过车床上的尾顶尖向其施力以实现撑紧零件的目的,并且在整个加工过程中要保持这一状态。

(三)编写夹具使用步骤

因夹具的各主要组成件是相对活动的,在操作时有一定的先后要求,根据这些要求来做会达到一个很好的效果,因此在设计时制定了使用步骤,其具体操作如下:

1.取下件5件1,然后使件2向内移动并使其小于零件入口尺寸,把夹具装入零件内腔。

2.推动件2向外移动直至零件内壁,然后装入件1并使其与零件内壁接触,再装入件5。

3.用软爪轻轻夹住零件的外圆,再用尾顶尖向件5施力以推动件1件2撑紧零件,此时转动卡盘找正零件外圆,最后用软爪紧紧夹住零件外圆,这样就可实施加工了。

(四)夹具使用效果

该夹具在解决零件装卸困难的前提下成功解决了零件在装夹及加工中容易变形的难题,其加工出的零件达到了工艺要求。

三、结语

目前,对于薄壁零件的数控加工质量保证的研究主要侧重于数控加工过程中的在线监控以及加工后的检验处理等方面,数控加工前期的工艺优化工作研究不多。而本文的研究表明,简单的一个夹具设计工艺优化措施对于薄壁零件的加工具有重要的影响作用。所以在数控编程之前进行充分的工艺分析,采取合理的优化方法,则是一种减少薄壁零件变形和损失的主动和更有效的方法。

参考文献

[1]戴陆武.机床夹具设计[M].西北工业出版社,1990.

[2] Dr.Ing.H舒尔茨著,王志刚,武凯译.高速加工发展概况[J].机械制造与自动化,2002,(1).

[3]周泽华.金属切削原理[M].上海科学技术出版社,1993.

[4]王飞月.机床的动态特性分析[J].河北工业科技学报,2001,(4).

作者简介:张雅琼,女,供职于中航工业南方动力机械有限公司,研究方向:机制工艺与设备。