基于薄壁殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)形加強(qiáng)筋加工快換工裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

亓 立，王文君

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030027；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原 030027）

水下裝備試驗(yàn)件存在諸多不同型號(hào)的薄壁殼體或圓錐筒形零件，為增強(qiáng)圓筒強(qiáng)度，常設(shè)計(jì)有環(huán)形加強(qiáng)筋[1]。通常該類型結(jié)構(gòu)殼體壁較薄、長(zhǎng)度大，在加工過程中及產(chǎn)品成型后，環(huán)形加強(qiáng)筋對(duì)于薄壁殼體整體強(qiáng)度以及剛度都起著至關(guān)重要的作用[2]。因此，環(huán)形加強(qiáng)筋也就成為各型薄壁殼體結(jié)構(gòu)中的重要零件之一[3]。針對(duì)環(huán)形加強(qiáng)筋需求數(shù)量大，形狀尺寸相對(duì)嚴(yán)格穩(wěn)定[4]，因此，需要設(shè)計(jì)一種快換工裝以能夠提高大批量環(huán)形加強(qiáng)筋的機(jī)加效率。

1 環(huán)形加強(qiáng)筋傳統(tǒng)加工工藝與技術(shù)問題

薄壁殼體結(jié)構(gòu)中，用到了大量環(huán)形加強(qiáng)筋[5]，其結(jié)構(gòu)見圖1，各組螺紋孔的定位基準(zhǔn)為水平中心線，弧形流水槽的定位基準(zhǔn)為豎直中心線。

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，環(huán)形加強(qiáng)筋的機(jī)加工序包括以下3 個(gè)加工內(nèi)容：一是劃十字中心線；二是制內(nèi)圓四組徑向螺紋孔；三是制外圓R4 流水槽。傳統(tǒng)機(jī)加工藝中需要采取3 個(gè)工步分別進(jìn)行加工，首先利用鋼板尺、直角尺配合劃針在工件端面劃十字中心線及徑向孔基準(zhǔn)定位線，為后續(xù)制螺紋孔、流水槽留加工基準(zhǔn)。下一工步中，將加強(qiáng)筋裝夾固定后，將制流水槽的樣板工裝放置在加強(qiáng)筋流水槽的實(shí)際位置并進(jìn)行固定，根據(jù)工裝上的孔制流水槽成。最后，將加強(qiáng)筋固定在鉗工工作平臺(tái)上，工人根據(jù)螺紋孔基準(zhǔn)線制螺紋底孔。由此可見，傳統(tǒng)加工工藝中工步較多，工件定位與找正繁瑣，加工工時(shí)耗費(fèi)較多。同時(shí)在批量加工加強(qiáng)筋時(shí)，受人為因素影響大，容易產(chǎn)生定位偏差與尺寸超差。綜合來看，傳統(tǒng)工藝加工效率低，影響生產(chǎn)進(jìn)度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的保證也存在一定不確定因素。如果使用數(shù)控鏜銑床加工環(huán)形加強(qiáng)筋，雖然可以在一個(gè)工步內(nèi)完成所有加工內(nèi)容，但由于加強(qiáng)筋加工數(shù)量眾多，在不采用提前劃線的前提下，定位與裝夾則需要花費(fèi)大量的時(shí)間。結(jié)合目前企業(yè)車間的普遍生產(chǎn)能力來看，該加工工藝方案占據(jù)了數(shù)控機(jī)床大量加工時(shí)間，不僅降低了機(jī)床的使用效率，而且大幅度提高了加工成本。

2 環(huán)形加強(qiáng)筋快換工裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 環(huán)形加強(qiáng)筋快換工裝結(jié)構(gòu)組成

基于傳統(tǒng)機(jī)加工藝與數(shù)控機(jī)床機(jī)加工藝均無法滿足降本、提質(zhì)、增效的生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)提出環(huán)形加強(qiáng)筋加工快換工裝。根據(jù)加強(qiáng)筋自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合加強(qiáng)筋在薄壁殼體中的裝配狀態(tài)，以環(huán)形加強(qiáng)筋一端面為平面定位基準(zhǔn)，以內(nèi)圓作為徑向定位基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)得到的快換工裝的具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 環(huán)形加強(qiáng)筋快換工裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，工裝整體由一個(gè)主結(jié)構(gòu)、制孔模塊、劃線模塊以及流水槽加工模塊組成。壓板鎖緊孔5與螺釘配合，用于固定待加工加強(qiáng)筋；制孔鉆套3定位加強(qiáng)筋徑向孔的中心孔；劃線樣柱4 完成劃線過程；流水槽加工模由圖中6，7，8 三部分組成，用于完成環(huán)形加強(qiáng)筋流水槽的加工。

2.2 環(huán)形加強(qiáng)筋快換工裝操作步驟

1）快換工裝加工環(huán)形加強(qiáng)筋時(shí)，首先將加強(qiáng)筋準(zhǔn)確放置于快換工作主結(jié)構(gòu)的限位槽中，主結(jié)構(gòu)內(nèi)表面可以為加強(qiáng)筋快速定位提供基準(zhǔn)，確保加工基準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠[2]。

2）找正后的加強(qiáng)筋四周通過4×M10 的螺釘配合四塊壓板鎖緊。

3）利用鋼板尺及工裝上的4 個(gè)劃線樣柱為基準(zhǔn)在加強(qiáng)筋上劃十字中心線。

4）利用手電鉆及制孔鉆套制加強(qiáng)筋徑向孔的中心孔。

5）最后將制流水槽模塊插入控位槽中，該模塊一端靠緊劃線樣柱后，利用限位螺釘緊固該模塊，隨后用手電鉆通過模塊上的流水槽樣孔制流水槽即可。

由此可見，該類型工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)環(huán)形加強(qiáng)筋的一體成型，大大縮減了成型時(shí)間和工序。并且該類工裝可根據(jù)實(shí)際需要的不同型號(hào)的環(huán)形加強(qiáng)筋，設(shè)備組成不變，只需變換工裝主結(jié)構(gòu)尺寸及其他位置特征，就能批量高效制作出適應(yīng)不同薄壁殼體的環(huán)形加強(qiáng)筋。

2.3 環(huán)形加強(qiáng)筋快換工裝設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

1）新設(shè)計(jì)的加工加強(qiáng)筋多功能型裝置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)劃線、制螺紋孔、制流水槽3 個(gè)工步；操作簡(jiǎn)便快捷，省時(shí)省力，加工效率大幅度提升。

2）新設(shè)計(jì)加工加強(qiáng)筋多功能型裝置定位精度高，其中定位包括：劃線時(shí)通過劃線樣柱定位；制螺紋底孔時(shí)，有專用鉆套，保證手電鉆制孔時(shí)的穩(wěn)定性及方向性；制流水槽時(shí)，通過劃線樣柱、限位螺釘高精度定位。通過該裝置加工后的孔、流水槽的尺寸及形位公差均滿足了產(chǎn)品圖紙要求，產(chǎn)品質(zhì)量有了大幅度的提升。

3）利用新設(shè)計(jì)多功能型裝置加工加強(qiáng)筋不僅效率高，而且可以節(jié)省加工成本，提高數(shù)控設(shè)備的使用效率。

2.4 環(huán)形加強(qiáng)筋快換工裝應(yīng)用效果

選取120 件精車完的加強(qiáng)筋作為試驗(yàn)件，平均分成3 組，且成品狀態(tài)一致，利用新設(shè)計(jì)的多功能型快換工裝、鉗工傳統(tǒng)工藝方法、數(shù)控設(shè)備分別對(duì)3 組試驗(yàn)件進(jìn)行加工，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同方法下加強(qiáng)筋加工成本及合格率

通過采用3 種不同加工方法加工相同數(shù)量的試件，結(jié)果表明：一是利用多功能型快換工裝及數(shù)控設(shè)備加工的工件均較鉗工通過傳統(tǒng)工藝加工的工件合格率有明顯的提高。二是利用多功能型快換工裝較利用數(shù)控設(shè)備加工工件，效率可提升2.5 倍；較鉗工通過傳統(tǒng)工藝加工工件，效率提升將近4 倍。三是利用多功能型快換工裝較利用數(shù)控設(shè)備加工工件，加工成本降低了5 倍；較鉗工通過傳統(tǒng)工藝加工工件，加工成本降低了2 倍。

3 結(jié)論

本裝置針對(duì)環(huán)形加強(qiáng)筋加工設(shè)計(jì)，能夠有效降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，簡(jiǎn)化工藝步驟，提高機(jī)械化制造水平，節(jié)約生產(chǎn)過程造成的損耗，降低對(duì)環(huán)境造成的污染和對(duì)操作工人造成的傷害，質(zhì)量改進(jìn)效果明顯。該裝置運(yùn)用范圍廣，使用頻率高，對(duì)于同類型產(chǎn)品的加工能夠做到快速適應(yīng)，推廣性好，具備一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和推廣價(jià)值。