工艺夹具毕业设计25某雷达关键件的加工工艺分析与夹具设计_蒋立正VIP

2012 年 7 月第 40 卷 第 14 期机床与液压MACHINE TOOL HYDRAULICSJul 2012Vol. 40 No. 14DOI: 103969/j. issn. 1001 3881. 2012. 14. 010收稿日期 : 2011 05 16作者简介 : 蒋立正 ( 1979) ， 男 ， 工程师 ， 主要研究方向为工装模具设计 、产品质量 控 制 。E mail: jlizheng126. com。某雷达关键件的加工工艺分析与夹具设计蒋立正1， 张苗2， 张伟1( 1. 浙江机电职业技术学院机械工程分院 ， 浙江杭州 310053;2. 浙江工业大学机械学院 ， 浙江杭州 310014)摘要 : 分析某雷达关键件 支臂零件的结构特点 ， 制定支臂的加工工艺流程 ， 并进行相应的液压夹具设计 。实践证明 : 采用该专用夹具可使该零件的加工时间缩短 50%以上 ， 加工质量和加工精度明显提高 ， 增强了企业竞争力 。关键词 : 雷达关键件 ; 工艺分析 ; 夹具设计 ; 数控加工中图分类号 : TH659 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 3881 ( 2012) 14 029 4Machining Technology Analysis and Clamp Design for CriticalComponent of RadarJIANG Lizheng1， ZHANG Miao2， ZHANG Wei1( 1. College of Mechanical Engineering， Zhejiang Institute of Mechanical Electronical Engineering，Hangzhou Zhejiang 310053， China;2. College of Mechanical Engineering， Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310014， China)Abstract: The machining process of critical component ( named arm part) was set down through analyzing its structure charac-teristics The clamp was designed according to its process Practice has proved that the time cost on machining is decreased by 50% atleast， and the machining quality and precision are improved So the enterprises competitive ability is improvedKeywords: Critical component of radar; Process analysis; Clamp design; CNC现代雷达功能强大 ， 结构复杂 ， 一致性和精度要求高 ， 使制造难度越来越大 。XX 雷达中的平板天线 、波导腔 、机座 、T/R 组件壳体等复杂精密零件 ，结构形状复杂 、刚性较差 ， 加工精度要求较高 ， 在加工过程中因受到切削力 、夹紧力 、温度场和残余应力的影响极易产生变形 ， 影响加工精度 1 2。某支臂零件为该型号雷达的关键零部件 ， 其形状独特 ， 加工要素种类繁多 ， 有平面 、曲面 、孔和轴等 ， 且曲面的曲率变化大 ， 加工难度较高 。同时 ， 针对该零件加工时间长 、质量一致性差及废品率高等特点 ， 如何高效 、高质量地完成该零件的加工 ， 除了必须具备先进的数控加工设备之外 ， 还必须确定优化的加工工艺方案 3。文中分析了该支臂零件的结构及尺寸特点 ， 结合现有设备制定了支臂加工的工艺规程 ， 并进行了相应的夹具设计 。实践证明 : 通过优化工艺规程及夹具设计 ， 支臂零件的加工质量明显改善 ， 生产效率明显提高 。引入液压夹具 4设计技术 ， 使零件的装夹次数大大减少 ， 加工精度得到保证 ， 为该型号装备的研制生产提供了有力保障 。1 零件结构分析与工艺规程编制支臂零件的产品图样如图 1 所示 。零件材料为铸铝 ZL101A ( T6) ， 采用铸造后机加工成型 。支臂结构复杂 ， 尺寸公差和形位公差要求高 ， 尤其空间尺寸多 ， 曲面的曲率变化大 。经过工艺分析 ， 该零件须进行粗加工 、半精加工及精加工工序 ， 普通数控机床难以保证加工精度 ， 被安排在五轴数控加工中心上完成 。在未进行加工工艺优化前 ， 为完成工件加工 ， 操作人员须借助通用夹具 、自制垫板多次装夹工件 ， 且每次装夹都需细心校调 ， 装夹时间长 ， 效率极低 ， 严重影响了加工进度 。图 1 支臂的零件图 ( 产品图样 )由图样工艺结构分析可知 : 工件可供定位装夹的基准平面很小且距离加工部位相对较远 ， 定位装夹存在较大困难 。为保证工件在定位装夹 、加工过程中的精度要求 ， 工艺设计师在工艺设计时添加两个工艺搭子 ( 见图 2) 以增加工件的定位面积 ， 避免一端定位时工件发生倾斜 ， 同时在另一端增加辅助支撑和压紧 ， 防止工件偏心产生振动 。图 2 增加工艺搭子后的支臂工艺简图经过工艺分析研究 ， 并通过实验验证 ， 制定出一套完整的加工工艺流程 ( 表 1) ， 设计制作了两套专用液压夹具 ， 有效保证了所加工工件的技术要求 。表 1 支臂的加工工艺流程工序号 工序名称 工序内容 工艺装备1 铸造 按图纸要求 ( 添加工艺搭子的工艺简图 ) 铸造2 清砂 清砂处理3 热处理 固溶处理加完全人工时效4 5 铣在专用夹具 1( 见图 3( a) ) 上按定位夹紧方案 1 加工被加工面及定位孔 ( 见图 4)加工中心专用夹具 16 镗在专用夹具 2( 见图 3( b) ) 上按定位夹紧方案 2 粗精镗 4. 5沉孔 10、6 圆孔及 61 圆孔 ， 并精铣各加工面 ( 见图 5)加工中心专用夹具 27 8 钳 去毛刺 ， 清洗9 检验 按图纸及工艺要求检查各部位尺寸和表面加工情况10 入库 按图纸及工艺要求装箱 ， 并入库03 机床与液压 第 40 卷图 3 支臂加工专用夹具图 4 定位装夹方案 1 ( 支臂加工工序 5)图 5 定位装夹方案 2 ( 支臂加工工序 6)2 工件定位夹紧方案的确定根据支臂零件的加工工艺流程 ， 确定完成工序 5的定位夹紧方案 ( 见图 4) ， 该工序的加工要素为图中的被加工面和被加工孔 。此道工序前已事先粗加工工件的 3 个定位面 ， 在进行工序 5 时即可以对该定位面定位 ， 限制 6 个自由度 ， 实现工件的完全定位 。工件在装夹过程中 ， 由于该工序的定位面较小且处在工件的一端 ， 需增大压紧力防止定位点移动 ; 同时 ， 工件的另一端须增加辅助支撑和压紧点 ， 以防止工件由于重心偏移产生不必要的倾斜和振动 。为完成工序 6 的加工内容 ， 可在工序 5 的基础上 ， 以工件的 4 个台面及 2 个销孔定位 ， 限制工件的6 个自由度 ， 实现完全定位 ( 台面限制 3 个自由度 ，2 个销孔限制 3 个自由度 ) 。工序 6 的定位夹紧方案见图 5。可以看出 : 工序 5 完成后 ， 工序 6 的定位面面积加大 ， 使工件的稳定性显著增加 ， 压紧点的选择13第 14 期 蒋立正 等 : 某雷达关键件的加工工艺分析与夹具设计与工件的支撑面相对应 ， 保证了工件完全贴紧定位面 。3 夹具设计3. 1 夹具结构的确定( 1) 专用夹具 1 的结构如图 3 ( a) 所示 ， 用来加工基准台面及定位孔 。夹具主要由基础板 、定位元件 ( L 形定位板 、定位销等 ) 、液压元件 ( 旋转油缸 、浮动支撑油缸 、顺序阀等 ) 等组成 。工件安装板底面与 L 形定位板工作面贴合 ， 3 个定位销与另两侧面靠边定位 ， 此时工件的被加工面处于水平位置 、被加工定位孔轴线处于垂直位置 ， 有利于铣削加工 。工件按图 3 所示位置装入后 ， 安装板一端的旋转油缸旋转压紧工件 ， 另一端的两浮动支撑油缸顶起成为固定支撑 ， 对应的旋转油缸自动旋转压紧工件 ， 以减小加工工件前端时的振动及变形 。( 2) 专用夹具 2 的结构如图 3 ( b) 所示 ， 用来加工工件安装板一端的被加工平面 ， 工件另一端的被加工曲面 、台阶及圆孔 。夹具主要由基础板 、方箱 、定位元件 ( 定位销 、定位座等 ) 、液压元件 ( 旋转油缸 、浮动支撑油缸 、顺序阀等 ) 等组成 。工件以工序 5 的被加工面与定位座的工作面贴合 ， 两定位销插入定位孔中 ， 此时工件的 6 孔的轴线 、61 孔的轴线 、4 4. 5沉孔的轴线都处于水平位置 ， 有利于镗削加工 ; 工件安装板被加工面的大部分处于水平 、竖直位置 ， 更有利于铣削加工 ; 工件上各被加工要素之间的几何公差 ， 在该位置利于加工及测量 。工件按图3 所示位置装入后 ， 上下旋转油缸压紧工件 ， 工件另一端的两浮动支撑油缸顶起成为固定支撑 ， 可以减小加工工件前端时的振动及变形 。3. 2 液压系统的设计限于篇幅 ， 下面仅给出专用夹具 1 的液压系统设计思路 。液压系统以机床泵站作为动力源 ， 在工件加工过程中 ， 泵站与夹具保持连接 ， 可避免在加工过程中由于夹具密封问题产生的压力损失 ， 夹具上无需附加保压元件 。主压紧的压紧位置靠近加工位置 ， 位于工件的安装板一侧 ， 选用夹紧力较大的旋转油缸 。辅助支撑和压紧选择较小的旋转油缸和浮动支撑油缸 ，防止工件在定位时的倾斜和在加工过程中的颤动 。根据夹具的动作要求 ， 确定各个液压元件的动作顺序 :主压紧处大旋转油缸动作 浮动支撑油缸动作 辅助压紧处小旋转油缸动作 工艺搭子下方浮动支撑油缸动作 。基于此 ， 选用 3 个顺序阀来实现以上的动作顺序 。图 6 给出了专用夹具 1 的液压原理图 。图 6 专用夹具 1 ( 支臂加工工序 6) 液压原理图假设加工过程机床泵站提供的压力为 20 MPa，可确定液压缸的压力为 :主压紧油缸压力 F1=200 2. 52 9. 8( 预选油缸作用面积 ) =4 939. 2 N辅助 压 紧 油 缸 压 力 F2= 200 1. 56 9. 8 =3 057. 6 N浮动支撑油缸 ( 非靠近工件安装板的一端 ) 的支撑力 F31. 5F2=4 586. 4 N4 使用效果及特点液压夹具使支臂零件的刚性大为提高 ， 定位精度得到保证 。针对无法为工件设定刚性支撑的特点 ， 选择辅助浮动支撑油缸作为支承 ， 同时转角油缸与浮动支撑油缸的组合保证了工件不变形 。由于夹紧力在定位和夹紧过程中保持恒定不变 ， 确保同一工序下加工质量的一致性 ， 这对复杂精密 、薄壁特征居多的雷达关键零部件加工 ， 具有非常重要的现实意义 。经过加工测试 ， 专用夹具在实际生产中 ， 使工件的装夹效率明显提高 ， 同时加工精度得到了保证 。在前期采用通用夹具装夹工件时 ， 同一批工件加工至少要重新找正 3 4 次 。由于工件刚性不好 ， 切削力不能过大 ， 需多次分层加工 。该夹具投入使用后 ， 未出现刀具与夹具的干涉现象 ， 加工参数如切削量 、进给量均可正常设置 ， 加工时间比之前同类型的工件缩短了 50%以上 。经测量与装配 ， 支臂零件的加工精度完全符合要求 ， 保证了产品质量 ， 极大地提高了数控机床的使用效率和加工效率 ， 解决了此类复杂精密零件的加工难题 。( 下转第 50 页 )23 机床与液压 第 40 卷2 外椭圆轮廓的宏程序加工编程宏程序可以使用户对数控系统进行一定的功能扩展 ， 允许使用变量 、赋值 、循环 、嵌套结构等 ， 可以将有规律的形状或尺寸用最短的程序段表示出来 ， 具有极好的易读性和易修改性 ， 并且编写出的程序简介 、逻辑严密 、具有极强的通用性 ， 因而得到了广泛的应用 。作者以式 ( 1) 所描述的工件外轮廓为例 ，在 FANUC 0i 系统下编写椭圆内轮廓加工的宏程序如下 :程序 :O0001 /主程序号#1 = ( A) /椭圆长半轴长 ( 对应 X 轴 ) ;#2 = ( B) /椭圆短半轴长 ( 对应 Y 轴 ) ;#3 = ( C) /椭圆长半轴与水平线夹角 ;#4 = ( dZ) /dz 设为自变量 ， 赋初始值为 dZ;#11 = ( H) /椭圆轮廓深度 ( 绝对值 ) ;#7 = ( D) /角度为自变量 ， 初始值为 90#8 = ( E) /角度 #7 的递增量#9 = ( F) /进给速度 F#13 = ( M) /刀具的半径补偿值#17 = ( dZ) /自变量 #4 的递增量#24 = ( X) /椭圆中心 X 坐标#25 = ( Y) /椭圆中心 Y 坐标S1000 M03G54 G90 G00 G40 X0 Y0 Z30G68 X0 Y0 R#3WHILE #4LE#11 DO 1Z2G01 Z-#4 F300#7 =90WHILE #7LE460 DO 2#5 = #1* COS #7+ #13* #2* COS #7 /SQRT #1* COS #7* #1* COS #7 + #2* SIN #7 *#2* SIN #7#6 = #2* SIN #7+ #13* #1* COS #7 /SQRT #1* COS #7* #1* COS #7 + #2* SIN #7 *#2* SIN #7G41 D01 G01 X#5 Y#6 F600#7 = #7 + #8END 2G00 Z30G40 X0 Y0#4 = #4 + #17END 1G69M30椭圆内轮廓加工示意图见图 2。图 2 椭圆内轮廓加工示意图此例中以直线 G01 来逼近等距线轨迹 ， 角度增量越小 ， 则轮廓越接近理论曲线 。3 结论通过工件的外轮廓方程 ， 给出椭圆的等距线方程 ， 证明