管接嘴零件柔性加工工藝研究

羅賽南，方樹言，鄧云發，宋 潔

（1.空裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌，330095；2.航空工業洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

隨著科學技術水平的發展迅速，在各工業領域中生產和使用的閥體和管路連接頭等零部件日益增多，這些零件包括直通管、直角彎頭、三通管、四通管等，過去對三通管生產方法多采用焊接、鑄造、機械加工的方式，并且在機械加工的過程中采用普通的配套工裝和夾具，這些都大大降低了零件的加工精度[1-2]。隨著加工水平的日益提高，針對管接嘴類零件的加工中，夾具在夾緊零件的過程中往往容易使工件變形，從而造成加工后的零件產生誤差[3-4]。因此，選擇合理的夾緊裝置尤為重要，這樣既能減少夾具的夾持面，又能保證所需的最大夾緊力，從而生產出合格的零件[5-6]。 在眾多夾緊裝置的選擇中，工件在裝夾過程中的變形規律需要研究，但以往文獻很少對該方面進行研究。以三通管為例，針對三通管典型的加工方案進行研究分析，為管接嘴類零件的加工提供高效快捷的加工方法。

1 零件裝夾方案設計和仿真分析

1.1 零件裝夾方案設計

對三通管進行夾緊變形的分析，利用分度卡盤來作為夾緊裝置，從而研究確定合理的裝夾方案。三通管坐標系如圖1 所示，以回轉中心軸線相交的點作為坐標原點o，其中，x 軸、y 軸分別表示管接頭的軸線，卡盤工作臺與回轉軸線重合的軸線表示為z 軸。另外，y 軸正向用1 端表示，x 軸負向用2 端表示，x 軸正向用3 端表示。

圖1 三通管坐標系

三通管裝夾在分度卡盤上的相對位置示意圖如圖2 所示，三通管裝夾時，z 軸方向表示卡盤零件相對位置，分度卡盤的下夾頭安裝在分度旋轉軸上，并且與其固聯，上夾頭安裝在夾頭座上且隨工件旋轉。

使用分度卡盤對零件進行加工時，其中，零件需要完全定位在下夾頭上。 在設計工件的下夾頭造型時，有兩種方式，分別為U 形夾頭與工件為面接觸方式和V 形夾頭與工件為線接觸方式，這兩種夾頭都限制了工件的六個自由度，而U 形夾頭與工件接觸面積較大。上夾頭可以采用與下夾頭相同的內腔面，也可以采用平壓頭，采用U 形或V 形上夾頭可以提高工件定位準確度，而平壓頭具有如下幾個優點：

1） 易于制備；

2） 適應范圍廣；

3） 由于上夾頭繞z 軸旋轉的自由度并未限制，因此使用平壓頭可以避免夾頭錯位壓傷工件表面。圖3 為四種裝夾方案示意圖，其中方案（a）為U 形下夾頭與平壓頭裝夾，方案（b）為U 形下夾頭與U 形上夾頭的裝夾，方案（c）為V 形下夾頭與平壓頭裝夾，方案（d）為V 形下夾頭與V 形上夾頭的裝夾。

1.2 零件裝夾仿真分析

采用Solid Works 軟件分別對工件和夾具建立模型并裝配，采用ABAQUS 軟件對工件裝夾變形進行仿真分析，圖4 表示對圖3 工件裝夾方案進行分析工件和夾頭的應力云圖輸出，發現上、下夾頭均為U形頭時，夾具與工件的接觸面積最大，此時的工件所受到的應力最小。

圖4 三通管在U 型下夾頭及平壓頭裝夾的應力變形仿真云圖

2 零件加工工藝研究分析

2.1 切削力、夾緊力作用下的加工誤差分析

管接嘴類零件的加工過程中，除了夾具在裝夾過程中的應力會給零件加工帶來誤差外，零件加工過程中的切削力也會影響零件的加工精度，加工過程中的切削力Fc來源于刀具在切削時受到工件的彈塑性變形力以及摩擦力，這些力可以分解為如圖5 所示相互垂直的三個分力，即進給抗力Fx（軸向力），切深抗力Fy（徑向力），主切削力Fz（切向力）。

圖5 外圓車削時的切削力及其分解

影響切削力大小的因素包括工件材料、切削用量、刀具相關參數以及切削液等，其中切削用量主要包括切削深度ap、進給量f、切削速度vc。目前，常用經驗公式計算切削力，加工時，利用測力儀測出切削力，再將測得數據適當處理，得到切削力的經驗公式，其形式為：

式中， 系數CF取決于工件及刀具材料，xF、yF、zF是各切削用量的指數。

根據車削用量推薦表，選定外圓半精加工時的切削用量為：ap=1.5mm，f=0.18mm/r，vc=250m/min，代入經驗公式進行計算，則Fx=75N，Fy=74N，Fz=262N，為了方便不同切削力下的工件變形情況對比，按照表1中的切削力數值進行仿真計算。

表1 仿真分析切削力數值選用表

圖6 所示為A、B、C、D 四個點所在橫截面，圖中外側虛線表示零件的原加工面，為標準圓；外側實線表示在夾緊力和切削力作用下變形的零件外圓面；內側虛線表示理想加工軌跡，為標準圓；內側紅色實線表示加工后發生回彈的零件外圓表面；圖中剖面線的區域表示加工中銑切的部位。

圖6 橫截面

零件外圓面的誤差值如表2 所示，其中正值代表預測值比理想值大。模型數據分析表明：零件加工過程中，直徑AC 方向所受切削力變化影響最大。

表2 零件外圓面的誤差值預測匯總表

2.2 加工離心力測試分析

液壓分度卡盤采用液壓油缸施加夾緊力，優點是可以獲得較大的、平穩的夾緊力，且操控簡單。但在加工過程中，油液壓力保持不變時，由于離心力的影響，實際施加的夾緊力會減小，當主軸轉速較低時，夾緊力減小量較少，通常可以忽略，當主軸轉速較高時，夾緊力減小量較大，影響切削效果，針對液壓分度卡盤夾緊力受離心力影響設計了一套夾緊力檢測系統，對夾緊力損耗進行量化分析。為獲取液壓卡盤旋轉狀態下的動態夾緊力，搭建無線測力系統，實現夾緊力的信號采集及數據的無線通訊。測力系統組成包括傳感器與測試工裝、信號處理與傳送模塊、供電模塊等。

傳感器外形尺寸如圖7 所示，其材質為不銹鋼，靈敏度為2mV/V，量程為1.5T。 為保證安全，根據液壓卡盤的接口尺寸為傳感器設計工裝夾具，下夾具尺寸如圖7 中（b）所示，上夾具尺寸如圖7 中（c）所示，圖7 中（d）為裝配完成后的實物圖。

圖7 傳感器尺寸與實物圖

采用STM32F4 核心板作為系統處理器進行處理，其中模塊的采集電壓信號范圍0V~+3.3V，反饋電阻阻值選擇為330Ω，此時放大倍數約為304 倍；當傳感器5V 供電時，放大后的理論最大信號電壓為3.04V。將傳感器安裝到分度卡盤上，分別改變油液壓力、主軸轉速，并讀出夾緊力數值，分度卡盤夾緊力測試結果如表3，夾緊力與油液壓力之間的關系如圖8 所示，從中可知，油液壓力越大，夾緊力損失越小。表4 表示轉動狀態下卡盤夾緊力損失的數值，由此可知，夾緊力受離心力影響有一定損失，夾緊力損失隨轉速增大呈指數增大。

表3 分度卡盤夾緊力測試結果

表4 分度卡盤夾緊力損失匯總

圖8 不同轉速下夾緊力折線圖

3 結論

1） 管接嘴零件的加工過程中，加工精度受到裝夾過程中的應力和切削力的影響；采用U 形上、下夾頭時，夾具與工件接觸面積最大，工件應力最小。

2） 工件受切削力加工時，徑向力工件影響較大。

3） 夾緊力受離心力影響有一定損失，夾緊力損失隨轉速增大呈指數增大；

4） 夾緊力損失跟油液壓力還有相關性，油液壓力越大，夾緊力損失越小。