工裝夾具在航天零件機械加工中的應用

□ 楊 洋 □ 黃 晶 □ 張海洋 □ 李佑杰 □ 賈浩洲

首都航天機械有限公司 北京 100076

1 研究背景

工裝夾具是在生產過程中用于快速準確定位并緊固零件的工藝裝備。在零件的機械加工過程中，工裝夾具是必不可少的輔助工具，其發揮的作用十分顯著，可以進一步促進加工向高速、高效、精密、復合、智能的方向發展。

同時，工裝夾具自身也正在向高效、通用、穩定、精密的方向發展。在進行工裝夾具的設計時，首先要考慮工裝夾具的設計是否可以滿足機械加工過程中對工裝夾具精度的要求，只有滿足精度要求的工裝夾具，才能夠生產出符合質量要求的零件。此外，需要考慮工人的操作習慣，設計出符合工人操作習慣的工裝夾具。工裝夾具還應該具有較強的強度與剛度，以避免高強度工作帶來的損耗［1-7］。

工裝夾具在產品的加工過程中發揮著巨大作用，不僅僅是一種技術上的輔助，更是一種設備上的保障，對產品的加工質量、加工成本、生產效率都有顯著影響。

隨著科學技術的進步和生產的發展，工裝夾具已廣泛應用于航天零件的機械加工中，進而實現零件的快速定位與夾緊，完成加工過程中所需要的準確相對運動，保證加工精度和加工效率。

筆者以工裝夾具在航天零件活門盒底座加工過程中的應用為例，介紹工裝夾具在航天零件機械加工中實現準確定位，以及保證零件達到加工精度要求的重要作用。

2 問題的提出

活門盒底座是航天發動機閥門組件盒的重要組成部分，整個組件盒有嚴格的密封要求，只有在密封的狀態下，其中的電磁閥才能有效控制發動機，使其正常工作。

重要密封件活門盒底座的加工尺寸要求嚴格，產品的邊緣壁厚要求為（5±0.05）mm，儀器安裝面壁厚要求為（3±0.05）mm，如圖1所示。對于密封性而言，兩項壁厚尺寸尤其重要，其中任何一個尺寸超差，都會影響密封性能，造成產品報廢。

活門盒底座的產品加工工藝流程如圖2所示。在銑上表面工序中，加工活門盒底座的邊緣壁厚尺寸。在銑側邊工序中，加工活門盒底座的儀器安裝面壁厚尺寸。通過對加工完成的五件活門盒底座產品邊緣壁厚尺寸和儀器安裝面壁厚尺寸分別進行檢測，發現加工后的產品邊緣壁厚尺寸和儀器安裝面壁厚尺寸均出現不同程度的超差問題。邊緣壁厚尺寸的實測值為4.85～5.04 mm，超出公差要求范圍0.1 mm。儀器安裝面壁厚尺寸的實測值為2.83～3.03 mm，超出公差要求范圍0.12 mm。

▲圖1 活門盒底座

▲圖2 活門盒底座加工工藝流程

3 原因分析

通過對產品的進一步測量分析，發現零件邊緣壁厚尺寸和儀器安裝面壁厚尺寸的超差均屬于局部超差問題，其中中間部位的壁厚尺寸小于設計要求，而左右兩邊部位的壁厚尺寸則在公差要求范圍之內。

通過對產品的加工過程和裝夾方法進行分析與研究，發現零件在虎鉗裝夾的過程中產生了翹曲變形，具體情況如圖3所示。

在通過虎鉗裝夾零件時，零件底面壁厚較薄，剛性較弱，在虎鉗兩側夾緊力的作用下，活門盒底座的中間部位發生了鼓翹，此時活門盒底面已經不再是一個水平面，而是一個中間高、兩邊低的弧面。

▲圖3 產品裝夾變形

在產品加工過程中，由于刀具的切削深度是恒定的，因此產品中間鼓翹的部分就會在加工過程中出現過切現象。而在產品加工完成松開虎鉗后，產品就會出現剩余壁厚尺寸厚薄不均的現象，越靠近中間部位，剩余壁厚就越薄。由于產品底面壁厚的公差要求極為嚴格，僅為（5±0.05） mm 和（3±0.05） mm，因此造成了底面中間部位壁厚過薄，超出尺寸公差范圍的情況，導致底面壁厚尺寸存在局部超差問題。

4 解決措施

針對由于虎鉗裝夾變形而導致的產品邊緣壁厚尺寸和儀器安裝面壁厚尺寸局部超差的問題，設計并制作了一種專用的工裝夾具，以防止產品的裝夾變形，如圖4所示。

▲圖4 防裝夾變形工裝夾具

這一工裝夾具由工裝主體和緊固螺栓兩部分組成。工裝主體的上安裝面與活門盒底座的下表面緊密貼合，緊固螺栓穿過零件，與墊塊上的螺紋相配合，使零件固定在工裝上。

在加工產品的邊緣壁厚尺寸和儀器安裝面壁厚尺寸時，產品的裝夾不再是將虎鉗直接夾緊產品的外側面，而是將虎鉗夾緊在工裝的外側面，這樣做可以有效避免產品由于虎鉗夾緊力而產生的鼓翹變形。改進后活門盒底座加工工藝流程如圖5所示，產品裝夾效果對比如圖6所示。

▲圖5 改進后活門盒底座加工工藝流程

▲圖6 裝夾效果對比

5 效果

采用所設計的工裝夾具對新投產的50件活門盒底座產品進行加工，經檢測，50件活門盒底座的邊緣壁厚尺寸為4.98～5.03 mm，儀器安裝面壁厚尺寸為2.97～3.02 mm，均符合公差要求，合格率達到100%。可見，通過設計工裝夾具，能有效消除產品的裝夾變形，進而避免由于變形而引起的產品壁厚尺寸局部超差問題，有效保證了活門盒底座邊緣壁厚尺寸和儀器安裝面壁厚尺寸的加工精度。

6 結束語

綜上所述，在工裝夾具的有效配合下，提高了零件的加工精度，降低了生產成本，節省了操作時間，并且有效提高了加工效率，尤其是對于一些精密、復雜、批量化生產的航天零件而言，效果明顯。

所設計的工裝夾具具有結構簡單、成本低廉、制作方便、使用性能良好、操作簡單省力、安全可靠的特點，可推廣至其它同類場合使用，也為同類產品工裝夾具的設計提供了借鑒。

隨著工業化進程的不斷加快，現代制造業對零件加工精度、加工速度等的要求越來越高，隨之對工裝夾具也提出了更高的要求。工裝夾具在航天領域已經得到了成功應用，而且還將繼續發揮日趨重要的作用。因此，在今后的工作中，應不斷創新設計先進的工裝夾具，并建立完善的工裝夾具庫，以使工裝夾具能適應現代化生產的需求。