爬壁機器人前叉架加工工藝方案設計*

郜海超，李志偉

（河南應用技術職業學院機電工程學院，河南 鄭州 450042）

0 引言

叉架類零件是工業中常見的零部件，主要起到支承和定位的作用。 本課題來源河南應用技術職業學院青年骨干教師項目，要設計一套風電機爬壁機器人的結構。 根據設計要求，設計的爬壁機器人要能進行轉角、越障、翻越內直角、翻越外直角等動作，根據這些特點設計了雙吸盤爬壁機器人，通過叉架實現前后吸盤的旋轉和定位。 因此，叉架的功能十分重要，設計加工工藝合理、滿足使用要求的叉架是本課題研究的一個重要內容[1]。

目前，叉架類零件加工的方法可以通過增材和減材方案加工。 增材加工方案可以通過3D 金屬打印的方式進行，但是只能進行產品打樣，大批量生產的能力不足；減材方案主要通過機加工切削方案完成零件要求，具體加工方案可以通過鑄鋼技術，設計專用夾具，通過銑床（銑削加工中心）、磨床最終滿足零件設計要求[2]。 本文主要針對減材方案完成爬壁機器人叉架加工要求。

1 零件工藝分析

1.1 零件加工工藝簡介

圖1 叉架零件圖

根據叉架的工作特點，叉架主要用來支撐和定位，但為節省材料和減輕重量，叉架支點位置加工時容易出現加工變形[3]。 因此，加工時要采取合理的加工工藝路線，而依靠通用夾具很難完成叉架的加工，所以選擇專用夾具完成叉架的加工。 如圖1 所示，圖中顯示了叉架的二維工程圖和三維造型圖。

根據叉架的結構特點可以設計兩條加工路線：1）叉架立著放，通過專用夾具首先加工叉架的一個端面，然后加工另一個端面，但叉架的內端面無法加工；2）通過專用夾具，工件放置如圖1 所示，這樣加工可以做到先面后孔，第一道工序加工叉架的8 個表面，第二道工序加工叉架的4個孔，經過工藝分析，選擇第二道加工方案，具體工序過程，如表1 所示。

表1 叉架機械加工工序

1.2 切削用量的確定

1）切削深度的確定：切削加工中，切削深度的確定主要取決于刀具直徑的大小、切削余量的多少，一般在切削余量確定后，粗加工的切削較深，精加工的切削較淺，根據爬壁機器人的使用要求，叉架選用鋁合金材料，因此，切削深度可以設定最大1.5mm，精加工時，加工的余量一般設置在0.1mm～0.2mm，磨削的余量設置在0.02mm。

2）進給量的確定：根據材料的特性，叉架零件首先通過鑄造鋁合金技術，然后通過銑削加工。 銑削加工時，粗加工進給量設置在1 500mm/min，主軸轉速設計在3 000 r/min；精加工進給量設置在3 000mm/min，主軸轉速設置在6 000r/min，磨削的轉速3 600rpm。

3）切削速度的確定：一般在粗加工速度要低些，精加工速度要高些。 一般速度高些可以減少變形和積屑瘤的產生。 刀具也是確定切削速度確定的重要因素，目前刀具可分為硬質合金、高速鋼、鎢鋼刀等，切削刃分為2 刃、4刃等，選擇合適的刀具，可以在切削速度恒定的情況下，改善切削工件表面的質量[4]。

2 爬壁機器人叉架夾具設計

本設計的爬壁機器人叉架材料為鋁合金，中小批量生產。

2.1 設計思路

叉架的前道工序為鑄造鋁合金，本次加工主要為叉架端部的8 個面，鉆削4 個孔，因此用通用夾具很難做到中小批量生產，為了提高加工效率，需要設計專用夾具。專用夾具的設計，主要保證限制工件的6 個自由度，利用兩個相互垂直的平面分別限制3 個自由度，如圖2 所示，定位后還需要設計恰當的夾緊方案。

圖2 叉架專用夾具

目前專用夾具設計的夾緊方案主要有液壓固定、氣壓固定、螺栓固定、卡扣固定等，在設計夾緊方案時，需要注意引起夾緊變形的因素和保證受力均衡； 在加工時不能因為切削力的存在引起加工時震動變形等情況發生。為了提高加工效率，本設計方案采用卡扣方案，通過螺栓進一步的固定。

2.2 孔加工夾具方案

對同一個零部件的加工盡量采用同一個專用夾具，這樣可以保證孔與面的垂直度，因此對孔的加工依然采用相的夾具。 孔的加工主要采用先采用劃線規畫出中心點的位置，然后采用樣沖沖出位置，采用中心鉆，2mm 小鉆鉆削小孔，然后用O5 鉆打孔，磨削孔，最終符合孔加工設計要求。 在擴孔時需要計算用O5 擴孔的切削力，由《機械加工工藝手冊》得出[5]。

通過設計專用夾緊力，為了在加工中防止出現夾緊力不足，造成零件震動情況時，應把安全系數考慮在內，在考慮安全系數的情況下，設計的切削力應小于夾緊力，這樣才安全。

3 機械加工工藝系統對零件加工質量的影響

3.1 熱變形誤差影響零件加工質量

在對叉架的端部8 個面進行加工時，因為銑削、鉆削、磨削等加工工序時，加工部位會產生大量的熱量，這些熱量會造成零件產生熱變形，降低零件的表面加工質量。 解決方案：1）目前主要采用冷切液，通過液體帶走大部分熱量從而減少尺寸誤差；2）采用新工藝新方法，可以采用“水刀”進行切削，能把熱量將到最低。

3.2 受力因素也影響零件加工質量

因工件在切削過程中受到切削力、重力、裝夾方案等因素影響，在加工時能達到尺寸精度要求，但當工件拆除以后，原先的平衡力系發生變化，形成新的力系平衡，這樣會造成爬壁機器人在運行中越障、 轉向等狀態受到限制，因此應設置合理的加工工藝方案，避免處理受力不均衡。解決方案：1）對設備定期檢修調試，通過磨削、拋光等工藝提高工件與夾具的接觸精度；2）設置控制力載荷的定量指標，比如銷、壓力表等保證里在和在合適的范圍內。

3.3 加工工藝時影響零件加工質量的關鍵

在設計加工工藝時，首先考慮定位基準，在加工時一般考慮基準的統一，設計基準和加工基準統一、工藝基準與設計基準統一等，加工時因為夾具、夾緊力等大小不同，也會造成工件的尺寸誤差，影響零件的加工精度。 解決方案：1）制定合理加工工藝，設計好尺寸鏈，降低尺寸幾何誤差對尺寸精度的影響；2）提高加工者的技能水平，使加工者明白解決工藝對加工質量影響的因素。

4 結語

綜上所述，機械加工的重要前提是做好機械加工工藝，機械加工工藝的參數要隨著現代制造工藝的發展而改變。 現代數控技術的發展，主軸轉速和進給量都會得到很大的提高，零件表面的質量和加工效率也得到很大的提高，因此，要求機械從業人員要熟悉機械加工流程，根據產品形狀的特點制定夾具的結構形狀，設計的夾具要保證自由度限制和夾緊力，這樣才能保證零件加工質量。