基于UG的搖擺臂零件制造工藝設計

2013-12-23 04:33:04李悅劉玉萍

機械工程師 2013年2期

李悅，劉玉萍

（1.武漢科技大學機械自動化學院，武漢430081；2.十堰高級職業學校，湖北十堰442000）

1 引言

隨著加工技術與材料技術的發展，軸的加工工藝也有很大發展，軸加工中傳統的裝夾方法為一夾一頂，一般都利用過定位原理，使用跟刀架或中心架作為輔助支撐來增加工件的剛性，通過調節尾座的回轉中心提高工件的同軸度，在裝夾時，采用線接觸起到一定的方向調節作用。軸類零件常見的安裝方式是采用兩中心孔定位裝夾［1］。現在很多先進技術已經廣泛運用于軸類零件加工中，包括主動測量技術、數控技術等。軸類零件加工工藝是一項嚴謹的技術工作，隨著現代加工技術的快速發展，軸類零件在“高速、高精度、自動化、網絡化”的發展道路上邁上了新的臺階，也必將使軸承零件的質量提升到一個更高的水平［2］。因此研究“搖擺臂零件制造工藝設計”具有重大意義。

2 搖擺臂零件及夾具結構工藝性分析

2.1 搖擺臂零件的三維建模

用UG 軟件對搖擺臂零件進行三維建模，如圖1 所示。

圖1 搖擺臂三維圖

2.2 搖擺臂的結構特點與工藝分析

圖2 搖擺臂重要面尺寸要求簡圖

搖擺臂零件是裝在水泥泵中的，其作用是用來把水泥打到空中。搖擺臂和搖擺座裝配在一起，搖擺臂在搖擺座里高速旋轉，產生負壓，幫助噴射水泥；其剛體中有一個中間體，中間體中又有兩個剛體，每個剛體裝有一個搖擺座，每個搖擺座裝有兩個搖擺臂，然后搖擺臂在搖擺座里高速旋轉，產生負壓，噴射水泥。這個過程對搖擺臂零件本身具有一定的精度要求。

（1）搖擺臂重要面的加工分析

（2）搖擺臂零件的工藝安排

根據生產成本和生產時間，在現有設備的基礎上生產該搖擺臂的加工工藝方案為：先粗車再半精車端面圓，然后鉆、鏜φ、φ21 孔，最后車圓弧臺階面。采取車的加工方法，因為其經濟性好，普遍性強，加工形式廣。對孔φ25+0.0150和φ21 都采用鏜削加工，是因為在使用該零件時，該孔與R61 圓弧徑向最高點直線有一定的垂直度要求，而鏜孔比鉆孔的精度高，能更好地達到工藝要求。直接用四爪卡盤夾緊、定位工件，進行車削，不用重新設計夾具，因而節省時間，節約成本。

2.3 確定搖擺臂零件的夾具設計方案

（1）確定搖擺臂零件的定位方式和定位元件

由以上搖擺臂加工方案的分析可知，宜采用φ132 端面圓為主要定位基準。由于φ132 端面圓周上伸出了6 個凸臺，所以可將此零件與一個和φ132 端面圓形狀相同的零件相配合，用來定位，至此限制了5 個自由度，再用套筒與φ25+0.0150 的圓孔相配合，套筒定位在夾具體上，以此限制零件的旋轉，至此該零件的6 個自由度就被完全限制（定位簡圖見圖3）。

（2）確定搖擺臂零件的夾緊方式

采用螺釘、螺母的螺旋夾緊機構，使用這種夾緊方式有利于工件的裝夾和拆卸，方便、可行（單個螺旋夾緊機構見圖4）。

（3）夾緊力的確定

為保證夾緊可靠，需乘以安全系數即得實際需要夾緊力。即：

式中，Fit-最不利條件下由靜力平衡計算求出的夾緊力；J-實際需要夾緊力；K-安全系數，一般取K=1.5～3，粗加工取大值，精加工取小值。

生產實際中應用比較廣泛的切削力經驗公式：F

圖3 圓柱端面定位圖

圖4 單個螺旋夾緊機構示意圖

式中，FC、FP、Ff-分別為切削力、背向力、進給力；CFC、CFP、CFf-取決于被加工材料和切削條件的切削力系數；xFC、xFP、xFf、yFC、yFP、yFf、nFC、nFP、nFf-分別為三個分力公式中，背吃刀量aP、進給量f 和切削速度vC的指數；KFC、KFP、KFf-當實際加工條件與建立經驗公式的試驗條件不相符時，各種影響因素對各切削分力的修正系數的乘積。

由于搖擺臂零件材料為灰鑄鐵，車刀采用硬質合金材料，所以各修正系數如下：

將以上修正系數代入上面的切削力經驗公式中，有

FC=900×0.31.0×0.30.75×1500×1.0×0.75=74.72N

經計算得出夾緊力FJ=1534N。

3 夾具總體結構的設計

3.1 夾具設計的特點

此夾具是用來加工搖擺臂的圓弧臺階面，根據工廠現有設備，用CK6150 數控車床對搖擺臂零件進行加工，裝夾兩個工件同時加工，兩個工件的圓弧臺階面合在一起變成了一個整圓，能夠保證加工時的平衡，也能夠提高效率。

3.2 夾具體的設計

完整的車床夾具應包括定位元件、夾緊裝置、對刀元件、夾具體、輔助裝置等部分。

夾具體須將定位、夾緊裝置連接成一體，并能正確地與搖擺臂裝配在一起（夾具總體裝配草圖見圖5）。

圖5 夾具體裝配圖

夾具體裝配圖的三維圖如圖6 所示。

圖6 夾具體裝配三維圖

3.3 夾具精度分析

（1）安裝誤差Δax

安裝誤差由定位誤差和夾緊誤差組成，用Δax來表示。Δax=Δdw+Δjj，其中Δdw為定位誤差，Δjj為夾緊誤差。由于是以零件端面圓軸線為工序基準標注的外端面圓弧臺階面的位置尺寸，因此工序尺寸的工序基準與零件的定位基準（端面圓軸線）重合，無基準不重合誤差，即Δjb=0；但是定位表面端面圓和定位元件墊塊有制造誤差，故有定位副制造不準確誤差Δdb。

其中：Td-定位外端面圓弧面的公差，mm；α-墊塊上相鄰兩圓弧面間的夾角，（°）；在此夾具中α=90°，Td=0.01mm，代入上式有

即Δdw=0.0071mm。一般情況下視夾緊誤差為零，即Δjj=0。所以安裝誤差Δax=Δdw+Δjj=0.0071mm。

（2）夾緊的對定誤差Δdd

夾具的對定包括三個方面：夾具與機床的對定、夾具與刀具的對定、分度與轉位的對定。

可知影響垂直度0.012mm 的夾具與機床的對定誤差為底板上下端面的平行度，即夾具與機床對定誤差Δjc=0.012mm。由于此工序車外端面圓弧臺階面是在數控車床上進行的，即夾具與刀具的對定誤差為Δjd=0.012mm。此裝置中無分度裝置，因此分度與轉位的對定誤差為零。所以夾具的對定誤差為Δdd=Δjc+Δjd=0.012+0.012=0.024mm。

（3）過程誤差Δkc

因該項誤差影響因素多，又不便于計算，所以常根據經驗留出工件公差的1/3。通常取：Δkc=δ/3

工件在夾具中加工時，總加工誤差ΣΔ 為上述各項加工誤差之和。為了得到合格產品，必須使各項加工誤差之和ΣΔ 不超過工件尺寸公差δ，即Δax+Δdd+Δkc≤δ

墊塊的垂直度0.012 的總加工誤差為：

所以該夾具能夠滿足加工要求。

4 加工搖擺臂零件的數控編程

本程序主要是用來加工搖擺臂外端面圓弧臺階面的，如圖7。

圖7 數控加工搖擺臂外端面圓弧臺階面

此程序是個循環體，部分程序如下：

5 搖擺臂各加工表面須檢測要素的檢測方法

（1）φ132 端面圓與R61 圓弧徑向最高點直線平行度要求的檢測。

圖8 φ132 端面圓與R61 圓弧徑向最高點直線平行度要求檢測簡圖

測量時沿圖8 所示方向移動千分表，在兩個R61 圓弧面上測出其徑向最高點，重復多次，記錄各數值，并將最大值與最小值相減，所得差值就是測得的φ132 端面圓的平行度誤差。若該誤差在φ132 端面圓所要求的公差（±0.02）mm 范圍內，則該零件合格，反之則不合格。

如圖9，心軸與φ25 孔為無間隙配合，測量時先在心軸某一長度處測出其徑向最高點，再沿心軸軸線方向移動千分表一段距離，測出另一個徑向最高點，用最大值減最小值得差值，重復上述沿直線移動的操作，并將所得各差值與平行度要求比較，查看是否小于所要求的平行度要求（±0.05mm）數值，若小于則該零件合格，否則不合格。

圖9 φ25+00. 015孔的軸線與φ132 端面圓平行度要求檢測簡圖

檢測時，按圖10 所示放置被測零件，然后用手按住零件，心軸與φ25 孔為無間隙配合，先在心軸某一長度處測出其徑向最高點，再沿心軸軸線方向移動千分表一段距離，測出另一個徑向最高點，用最大值減最小值得差值，重復上述沿直線移動的操作，并將所得各差值與垂直度要求比較，查看是否小于所要求的垂直度要求（±0.05mm）數值，若小于則該零件合格，否則不合格。