大型球鐵水表殼加工工裝設計與加工 *

陳太麗

(福建船政交通職業學院 機械與智能制造學院，福建 福州 350007)

0 引 言

大型水表主要用于計量流經自來水管道中水的總量，常用于住宅小區的總管道的自來水總量計量。大型水表主要結構有球鐵表殼、機芯、表蓋組成。由于市場體量大，在加工大型球鐵水表殼的工藝上，需要專用的數控機床配合專用的夾具進行生產。筆者通過分析WS150大型球鐵表殼的產品結構特點及加工工藝特點，設計了專業的工裝配合專用數控機床加工，達到了一次裝夾工件，同時加工水表殼的三端加工位置，解決了傳統工藝的多次裝夾多工序多道加工的工藝問題，達到一次裝夾多工序同時加工的高效目的。

1 水表殼結構的分析

圖1為大口徑水表WS-150的表殼模型圖。該表殼采用消失模鑄造工藝生產。消失模鑄造是泡沫塑料模采用無粘結干砂結合抽真空技術的實型鑄造，被認為是二十一世紀最可能實現綠色鑄造的工藝技術[1-2]。消失模鑄造工藝可生產結構復雜、尺寸精度高、表面粗造度低、機械加工余量少的鑄件，具有金屬液利用率高、環境污染小、無需取模等特點，是一項很有發展前景的近凈成形加工技術和清潔生產技術[3-4]。由于采用消失模主要工藝，表殼的生產只在表殼的兩個法蘭連接面及機芯安裝配合面處留有1.5 mm的加工余量，其余曲面結構均一次性鑄出。鑄件余量如圖2所示。

圖1 WS150水表殼產品圖 圖2 WS150水表殼鑄件效果圖

2 加工工藝的確定

水表殼的兩個法蘭面與機芯口處均為回轉體，傳統加工工藝上選用車床配合工裝夾具加工。但是選擇普通車床加工該產品則需要有三次裝夾的產生，效率低，勞動強度大，加工過程重復定位精度差。分析表殼結構，三個加工面的中心均在一個平面上，為提高加工效率，選用數控專業組合機床加工表殼，可達到一次裝夾，三軸同時加工以達到效率提高的目的。

2.1 專用數控機床的結構形式

專用數控機床的結構形式有三個數控銑削頭組成，將原有的工件轉動，車刀車削，轉變為工件固定，車刀旋轉銑削的方式，以達到一次裝夾三軸同時加工的目的。由于表殼的結構特點，兩端進出水口的法蘭面為同心圓，其中心高在同一高度，機芯的安裝孔的高度與兩法蘭面的高度同高。專用數控機床每個銑削軸均有X、Z兩個方向上的運動，各個軸都有一個系統控制其進給與轉速，每個軸的導軌移動通過數控系統給的脈沖信號自行移動，以達到加工尺寸精度目的。數控專機結構如圖3所示。

圖3 專用數控機床結構原理圖1.主軸1 2.主軸2 3.主軸3 4.工件安裝座 5.機床底座

2.2 工裝的安裝位置

表殼則安裝在專用夾具上，夾具安裝在機床加工平臺上，機床的加工平臺中心點位置為三個加工軸的中心線交點并設有定位孔，以方便工裝的安裝與工件找正。工件的夾緊采用液壓缸自上向下壓緊的方式緊壓在加工平臺上，采用液壓壓緊的方式優點在于壓緊力大，壓緊速度快，加工過程穩定。

2.3 工裝的設計

工裝的設計需要具備足夠的強度與剛性，夾持可靠性強，操作簡便，良好的工藝性等特點。水表殼的工裝主要由底板、底座、上壓蓋板組成。如圖4。

圖4 工裝裝配效果圖

底板與工作臺通過定位銷定位，保證了工裝在機床上的位置。采用U型口通過螺栓固定的機床的底座上，由于加工存在誤差，需要設計高度調節功能，在底板的四個角位置設計有高度調節螺紋孔，在安裝工裝過程中，可根據工裝與機床的中心差調整螺栓訂出的高度，以達到工裝與機床高度同高的目的。底板設計如圖5。

工裝底座與底板的連接采用4個高度塊的連接，在高度墊塊的加工共過程中，為保證高度尺寸的一致性，4個高度塊在經銑床加工完整后，須同時在磨床上加工，保證其高度一致。

工裝的底座根據表殼的曲面外形進行設計，由于才用消失模鑄造工藝進行生產，鑄件的外形尺寸一直性良好，可采用表殼曲面位置定及大口的細節特征進行定位。由于表殼的外形是不需要加工的，為了保證表殼表面的完好性，在底座的安裝位置上，不易與表殼的接觸面過大，但是考慮到表殼的安裝穩定上，夾位必須足夠大，鑒于以上兩點的要求，設計了如圖6的工裝底座。

圖5 工裝底板設計效果圖 圖6 工裝底座圖

蓋板的設計上與底座設計的思路一致，為使工裝輕量化，便于工人操作，在蓋板的設計上厚度設計在16 mm，保證蓋板質量的同時也能保證其有足夠強度，可以在加工過程中壓緊表殼，使加工能夠平穩的進行。

3 底座與蓋板的數控加工

底座和蓋板的加工精度決定了表殼在工裝上夾持的進度，以及夾持穩定性。底座和蓋板與表殼的接觸面均為曲面，在加工上需要選擇數控加工中心進行加工，以保證曲面的精度。將設計好的工裝三維模型導入刀UG軟件編程模塊中，按照加工工藝的要求，選擇合適的銑削刀路方法，編輯刀路軌跡，再將編好的刀路軌跡轉換為G代碼，傳輸到機床進行加工。

底座和蓋板的毛坯材料選用HT150牌號球鐵，利用消失模鑄造工藝鑄出底座和蓋板的近似形狀，加工余量為3 mm，這樣可以避免使用型材進行加工時出現的加工余量大的缺點。由于是才用消失模鑄造工藝，工裝的加工余量少，加工效率高。

底座的加工工藝路線為：①底座基準面加工，以毛坯面作為粗基準，加工出底座的基準面；②底座的四周面輪廓加工，加工出底座的周圍四個豎直表面；③底座反面裝夾加工總體高度，以加工好的基準底面進行反面裝夾，加工出底座的總體高度，保證高度尺寸；④底座粗加工，將底座曲面位置的大部分余量銑削完整，曲面余量留0.2 mm進行后續的精加工；⑤半精加工底座曲面，采用D12 mm的銑刀半精加工曲面位置；⑥底座曲面精加工，使用R6球刀精加工底座曲面；⑦螺紋孔的加工，采用直徑10.5 mm的鉆頭進行螺紋底孔的加工；⑧螺紋加工，采用M12機工絲錐進行螺紋加工；⑨倒角去毛刺，采用倒角刀進行輪廓倒角。編程刀路軌跡如圖7所示，加工工藝如表1所列。

圖7 工裝底座刀路軌跡圖

表1 底座加工工藝

蓋板的加工工藝路線為：①蓋板基準面銑削；②蓋板粗加工銑削；③蓋板接觸曲面半精加工；④蓋板曲面精加工；⑤倒角加工。編程刀路軌跡如圖8所示，加工工藝如表2所列。

將設計好的工裝領零件圖，經普通銑床加工、鉆孔攻牙、數控銑床等工序加工后，進行裝配，加工出的底座及工裝在機床上的安裝使用如圖9所示。

圖8 蓋板刀路軌跡圖

表2 底座加工工藝

圖9 工裝加工成品及使用效果圖

4 結 論

通過對大型球鐵表殼的加工工裝設計及安裝使用過程，得出以下幾點總結。

(1) 工裝在安裝過程中，由于在底板設計了定位銷孔及底部的調整螺栓設計功能，在工裝的安裝調試過程找正工件方便實用。

(2) 工裝的使用過程中，由于鑄件采用了消失模鑄造工藝，產品的外觀尺寸一致性較好，及工裝底座及蓋板使用了數控銑床加工，在工件的夾持效果方面良好，工裝與工件的表面貼合度非常好。保證了加工的可需持續性。

(3) 工裝的缺點，工裝的缺點在于底座于底板之間的連接采用的是墊塊及螺栓的連接，在強度性能上較為薄弱，在余量較多出易產生震刀紋的現象。這在以后的設計中需要改善。