玉米稈脫葉機(jī)的脫葉輪鑄件加工工藝設(shè)計(jì)與仿真

王 鈞，李 瑋，劉 斌，王周梅，郭志偉，王泰恒，魏新宇，汪 穎

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

我國的玉米秸稈利用率較低，收獲后秸稈大多留在田間。利用脫葉機(jī)進(jìn)行脫葉是目前再加工的首選機(jī)械，脫葉輪零件是玉米脫葉機(jī)中的重要組成部分，其加工的精度和布置間距決定了脫葉的效果和對莖稈的破壞程度。目前脫葉輪加工中往往采用焊接的方式，先打孔，后加工，再裝配。在工藝上焊接帶來的變形、裝配只能憑借手動(dòng)補(bǔ)償，不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化加工，嚴(yán)重影響使用效果。如果使用鑄件在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工就可以保證其布置的形狀位置公差，使脫葉輪上的脫葉片很好地脫葉且不破壞莖稈。為了達(dá)到該零件的加工精度，將對脫葉輪設(shè)計(jì)一款專用夾具，使其能夠?qū)崿F(xiàn)批量化、穩(wěn)定、可靠的高精度自動(dòng)化生產(chǎn),對提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義[1]。

1 零件工藝分析

1.1 工藝分析

在機(jī)械加工工藝技術(shù)實(shí)施過程中，定位是指要工件固定在加工機(jī)床上，保證準(zhǔn)確的定位，可以提高作業(yè)精準(zhǔn)化程度，并保證較高的生產(chǎn)效率[2]。在定位基準(zhǔn)選擇的合理與否將直接影響零件加工的質(zhì)量。如圖1所示，通過脫葉輪的3D模型可以了解該脫葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在加工中保證固定塊在裝夾脫葉片的契合度，以及脫葉片的間距，還有M4.8的8組孔位的同軸度必須要在給定的范圍內(nèi)，該零件的加工難點(diǎn)主要在于回轉(zhuǎn)體零件無法一次性加工，8組M4.5的孔分布在固定板上，加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，而且孔的位置很深，容易在加工過程中使鉆頭折斷，并且在側(cè)面有R10的一個(gè)凸臺(tái)會(huì)干涉到該零件的加工。所以，為了達(dá)到加工要求，先將有3個(gè)孔的底面銑平，銑平后再利用其底面的孔位制作夾具完成后續(xù)的孔位加工。

圖1 脫葉輪3D模型Fig.1 The 3D model of impeller

1.2 專用夾具設(shè)計(jì)

1.2.1 夾具自由度干涉計(jì)

該工件的特點(diǎn)為底端有接觸面和3個(gè)孔，根據(jù)特征結(jié)合其特點(diǎn)可以用其來定位。定位的設(shè)計(jì)要求在原理上來說是不過定位和不干涉，如果出現(xiàn)了過定位和干涉，則通過驗(yàn)算把干涉的部分削去。脫葉輪定位夾具位置關(guān)系見圖2所示，左邊孔1中心O1和O1'是重合的，兩者存在一個(gè)最小的間隙為X1min；孔2中心的O2'與銷2的中心O2也是同樣的重合，其中的最小間隙為X2min=D2min-d2max。

圖2 脫葉輪定位夾具位置關(guān)系Fig.2 The position relationship of impeller positioning fixture

根據(jù)以上計(jì)算將該菱形銷應(yīng)削去b值5 mm最為合適。

1.2.2 專用夾具設(shè)計(jì)

該零件的鉆孔大小要完全符合零件加工的標(biāo)準(zhǔn)和精度，以免出現(xiàn)孔洞無法滿足加工零件的加工需求，從而影響到加工零件的精度和質(zhì)量。脫葉輪工裝夾具見圖3所示。實(shí)現(xiàn)定位首先要能控制自由度，既不過定位也不缺定位。其次，利用一個(gè)D4.5圓柱銷定位其中的小孔，圓柱銷內(nèi)部需要有M3的內(nèi)螺紋且材質(zhì)為不銹鋼，有內(nèi)螺紋是方便在偏過盈的過渡配合中使用沖擊錘可以很輕松將其取出，而不會(huì)被真空壓強(qiáng)吸附無法取出。一個(gè)D27的菱形銷來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的自由度限制，最后使用壓板進(jìn)行z軸方向的自由度限制使。

圖3 脫葉輪工裝夾具Fig.3 The impeller removal fixture

2 加工仿真

利用UG軟件加工仿真，是未來的重要發(fā)展趨勢[3]。本次仿真將使用UG進(jìn)行虛擬仿真，進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 編撰NC程序

在工件中插入MCLL_MILL加工坐標(biāo)系，并選擇工件為鑄件體，選擇毛坯體為部件偏置3，進(jìn)入編程頁面，選擇命令為DRILLING，選擇需要加工的孔，設(shè)置轉(zhuǎn)速為S800，進(jìn)給F70，Q的設(shè)置一般為鉆頭的1/2，即4.5的1/2取整數(shù)為2.3，即加工深度為2.3 mm，以后抬到安全平面排除碎屑。設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)后生成NC代碼，設(shè)置其加工方法為啄鉆生成刀路。

2.2 仿真計(jì)算

進(jìn)入機(jī)床仿真模塊，插入1臺(tái)3AIX-MILL-VERTICAL型機(jī)床，選擇使用Fanuc系統(tǒng)，行程1 200×800帶自動(dòng)換刀，使用裝配命令中的“接觸對齊”使夾具底座和機(jī)床底座相連，位置居中，設(shè)置加工坐標(biāo)MCS在裝夾板底面分中位置。并且完成對刀，分中等準(zhǔn)備操作。完成后進(jìn)行切削模擬，分析其加工情況及精度是否滿足。

2.3 數(shù)據(jù)分析

圖4 余量檢測云圖Fig.4 The cloud chart of allowance detection

圖5 孔壁20點(diǎn)余量波動(dòng)圖Fig.5 The residual fluctuation diagram

3 結(jié)語

玉米深加工是變資源優(yōu)勢為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，提高玉米經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。通過合理的對脫葉輪進(jìn)行分析，找出其可以利用的特點(diǎn)再配合科學(xué)的計(jì)算，確定后續(xù)工序能否進(jìn)行，避免浪費(fèi)工時(shí)，減少費(fèi)用。利用底面的特征正好能夠用于裝夾以便于對等距孔進(jìn)行加工的特性，通過計(jì)算設(shè)計(jì)了該產(chǎn)品的專用夾具。完成以后為了驗(yàn)證該產(chǎn)品的可行性利用UG軟件對其進(jìn)行設(shè)計(jì)建模裝配并在加工環(huán)境中模擬仿真，編制了NC程序和機(jī)床仿真運(yùn)行刀路宏程序。通過余量檢測云圖和測量作出其余量分布圖，找到了其余量的分布最大最小值區(qū)間，完整地驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性、正確性。為該產(chǎn)品批量化、精確化生產(chǎn)提供了可行方案。