短軸大孔零件高效加工技術

■航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽 441003） 金 鑫 姜忠平 金潤一

近年來，機械行業發展較快，對設計、制造和管理的要求進一步提高，相比之下，我公司某型產品重要件左支架的加工生產對整機裝配交付有一定影響，生產中在數控加工技術靈活運用方面有待進一步提高。

1. 左支架工藝特點

左支架（見圖1）作為彈射救生設備重要構件，主要功能是支撐和引導機構正常運行。零件材料為ZL201-T5，鑄造毛坯件，是由φ64mm管體、40°傾斜平板和凸臺等幾何體組成的異形零件。其工藝特點如下：

1）零件共91個設計尺寸，工藝路線長，共75道工序。

2）普加工序均為粗加工或制單一基準形面。

3）數銑工序共 73個尺寸，主要加工具有裝配關系的空間高精度尺寸。4道數銑工序分5個工步（見圖2）裝夾加工完成，準備頻次多。

4）整個工藝過程各步驟用時如圖3所示。

圖1 左支架

由圖3可以看出，經過長期試制和定型生產實踐，技術協調用時、首件檢驗用時和裝夾找正用時（單件）占了很高的比例。加工一個零件，有1/3的時間用在了裝夾上，裝夾/加工用時比例在1/2甚至3/4。生產操作工步多、動作頻次過高，說明工作中還存在著制約生產、需要解決的問題。

2. 加工難點分析

該零件加工難點如下：

1）工藝毛坯形態為異形組合體，凸臺、管體和耳片的組成結構奇異，對定位方式和夾持力度極具挑戰性，操作難度較大。

2）零件材料的加工性能一般，材質黏度較高，不適合高速切削。

3）前工序加工去除余量后，定位面均有不同程度變形，嚴重影響裝夾操作的可靠性，大大增加了空間尺寸的加工難度，造成質量問題頻發。

4）每件定位找正，輸入數據，勞動強度高，在大批量生產中有誤操作。

圖2 加工工步

圖3 各步驟用時

5）工序多次裝夾加工過程中，雖然始終以φ64+0.074+0mm孔和40°＋30′-30′斜面定位，但由于零件變形、結構強度不高、定位面支撐力不夠以及夾持力靠人工感覺等情況，造成操作者裝夾過程中要同時關注多點調配，即φ 64mm管腔與心軸軸線重合，40°斜面與定位點、面貼合，還要壓緊這個壓板，調整那個壓點和壓力，此時又發現定位面翹起、管腔偏移，如圖4所示。

3. 工藝分析

1）觀察零件的核心結構孔，發現孔徑大且軸線長度小于直徑，是孔系定位的難題，且孔端面與軸線呈非正交狀態，使得定位難度進一步加大（見圖5）。

2）在各工序加工過程中始終以φ64+0.074+0mm孔和40°＋30′-30′斜面定位，心軸與孔為主配合面。當為了方便裝夾而配合間隙稍大時，會發生管腔偏移、支撐力不夠的現象，如圖6a所示；當為了裝夾穩定，減小配合間隙而提高心軸精度時，零件放入因變形而極其困難，如圖6b所示。

4. 解決方案分析

圖4 裝夾

（1）圓錐膨脹方案 膨脹心軸是目前較為適合的解決方案，在脹緊孔徑的同時也繃直了軸線，一舉兩得。直圓錐軸起主體定心作用，膨脹簧沿圓錐軸推進而膨脹，脹緊零件內孔。但是進一步觀察發現，零件上部需加工貫穿方孔（見圖7），與定位孔相貫，必然切傷膨脹簧，致使其失去精度和定位作用。

圖5 孔與軸線的位置關系

圖6 裝夾示意

圖7 圓錐膨脹方案示意

（2）楔塊膨脹方案 根據零件定位孔的形態特點，可以確定膨脹方式定位較為合理、適用，如圖8所示。為后續加工穿透型方孔腔預留空間，增強主體剛性，穩定楔塊。膨脹運動既脹緊孔徑，又繃直了軸線，一舉三得。40°斜面由4點可確定位置。

5. 楔塊膨脹方案的實施

1）針對定位孔的形態特點，制作具有自鎖功能的半圓楔塊膨脹方式夾具。設膨脹率Κ＝0.158，半徑膨脹量為ΔR，軸向推進量為ΔL，則膨脹量計算公式為：ΔR＝ΔL×Κ，如圖9所示。

2）采用半圓楔塊膨脹方式夾具，集合工步三、四、五內容對零件毛坯進行試加工（見圖10）。選擇剛性較好的設備，A軸卡盤夾持柄部，以互鎖機構鎖緊一爪傳遞A軸切削扭矩，心軸跳動≤0.03mm。零件以簡便、分步、可測量方式安置到位，緊固可靠后，以1/2原加工參數進行試切削，觀察零件與夾具的組合體在切削過程中的情況，確認緊實穩定后，調節機床進給倍率，提高加工效率。為避免基準誤差和人工裝夾誤差等原因所產生的偏移，先期對敏感空間尺寸進行粗加工（形面預留余量≥1mm），經計量檢查合格后再進行精加工。

圖8 楔塊膨脹方案示意

6. 加工效果

1）采用半圓楔塊膨脹方式夾具，集合3道工步內容對D1701（72件）批次零件毛坯進行生產加工，原3個工步改進為1個工步、6個動作完成，切削過程穩定，夾具定位可靠，零件尺寸合格，質量穩定（見圖11）。

2）運用創新夾具后，加工效率不斷提高（見圖12），總工步由5個改為3個，動作頻次由45個改進為16個，生產用時大幅度縮減，取得了良好的成效。

7. 綜合效益

（1）社會效益 ①降低了左支架零件在機時間，為完成其他大量的、必上加工中心的試制、批產零件提供了有利條件。②提高了瓶頸設備產出率，使相關技術人員開拓了思路，以此類推，提高其他A軸零件的生產效率。③降低工人勞動強度，使其能夠將精力、體力放在觀察設備運行、掌控零件質量、提高操作效率以及優化工作秩序等方面上來。④提高滿足客戶市場緊急需求的能力，有了不斷積累的技術方法，有了高效穩定的操作方案，必然催生出響應外在需求變化的快速反應能力。⑤提高團隊協作、組織分工和學習傳承的能力，親身經歷者其感受和各方面能力的變化是顯而易見的，更多的是相互之間的默契配合和鼓勵。

圖9 楔塊膨脹工作示意

圖10 工件的試加工

圖11 成品

圖12 工藝改進前后各步驟用時對比

（2）創新技術的推廣 作為公司的拳頭產品，該型航空救生防護產品未來十年必有較大發展，各種改型必然不斷涌現，而其核心的機構和穩定的性能只會更好、更完善。對稱件右支架（見圖13）結構相似，通過運用、改進此裝夾方式（見圖14），也取得了大幅提高生產效率和質量的效果。

圖13 右支架

（3）應用前景分析 該型膨脹自鎖心軸還可以改型成兩向、三向、四向及多向可調式膨脹心軸，膨脹楔塊可以依據實際情況沿圓周方向不同角度安置。可用于具有與此案例相似的各產品孔型結構的定位。例如，特種車輛、軍用和民用艦船、航空、航天、無人機車、無人艦艇及無人飛行器等行業相似異形零件較多，可以采用此方案。本技術方案已獲國家專利。

圖14 右支架夾具及裝夾