分離機(jī)碟片“中性孔”加工新方法探討

黎德成

廣州廣重分離機(jī)械有限公司，廣東廣州 510288

圖1

加工碟片上“中性孔”，傳統(tǒng)的加工方法是沖剪。就是根據(jù)碟片和分布孔的形狀尺寸，專門設(shè)計(jì)制造一套復(fù)合沖剪模具。這種加工方法比較成熟，但它的不足之處也無(wú)法忽視。

我公司研發(fā)某新型碟片式分離機(jī)，里邊的碟片尺寸較大，碟片上均勻布置“中性孔”共八個(gè)。“中性孔”的形狀是橢圓形的，在采用什么方法對(duì)“中性孔”進(jìn)行加工的問(wèn)題上，我們頗為躊躇。

如果按照傳統(tǒng)的辦法，需要特制一套復(fù)合沖剪模具來(lái)加工碟片的“中性孔”，這套模具體積龐大，成本很高，制造調(diào)試周期長(zhǎng)；配套的沖床目前在機(jī)械制造企業(yè)非常難找；由于是試制產(chǎn)品，碟片（包括中性孔）的形狀和尺寸隨時(shí)都有修改的可能。如果設(shè)計(jì)需要修改，那么模具或許又要推倒重來(lái)；另外，樣機(jī)所需的碟片數(shù)量?jī)H一百多件。顯然，采用昂貴的沖剪加工方法并不劃算。

在糾結(jié)的時(shí)候，激光切割加工引起我們的注意。

激光切割是21 世紀(jì)方興未艾的新型金屬加工方法。激光切割機(jī)噴嘴利用高功率的激光束照射工件，使被照射的金屬材料迅速熔化，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流強(qiáng)大壓力，吹除液態(tài)金屬，從而在材料形成切口。

激光切割能夠獲得比較理想的切割質(zhì)量。其尺寸精度可達(dá)0.05mm。材料切口的表面粗糙度Ra 可達(dá)十幾微米。雖然激光切割屬于“熱加工”的范疇，但由于激光光斑小、切割速度快，因此材料經(jīng)過(guò)激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能幾乎不受影響，工件的變形也很小。零件基本上可以直接使用。

可見(jiàn)，應(yīng)用激光切割方法對(duì)碟片的“中性孔”進(jìn)行加工，有可能達(dá)到碟片的設(shè)計(jì)要求。這個(gè)想法是令人振奮的。當(dāng)然，把異想天開(kāi)的創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)，還需要滿足一系列的條件：

1）設(shè)計(jì)一個(gè)不太復(fù)雜的工裝夾具，確保碟片和“中性孔”的空間位置與激光切割機(jī)噴嘴之間始終保持著正確的對(duì)應(yīng)關(guān)系；2）碟片在夾具上的裝夾和拆卸動(dòng)作必須比較方便；3）選擇合適的激光切割機(jī)，想方設(shè)法“撮合”夾具與激光機(jī)操作和諧匹配；4）很重要一點(diǎn)，當(dāng)設(shè)計(jì)部門修改碟片尺寸時(shí)，激光切割方法應(yīng)該能夠快速響應(yīng)，夾具改動(dòng)及時(shí)跟進(jìn)；5）與傳統(tǒng)的加工方法相比，激光切割的總費(fèi)用必須在可以接受的范圍內(nèi)。

幾經(jīng)周折，我們創(chuàng)造了一套新穎的夾具，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

習(xí)近平總書記認(rèn)為“深厚的感情必須以深刻的認(rèn)識(shí)做基礎(chǔ)”[注]習(xí)近平：《知之深愛(ài)之切》，石家莊：河北人民出版社，2015 年，(代序)第1頁(yè)。，愛(ài)國(guó)主義也是如此。愛(ài)國(guó)主義建立在深刻認(rèn)識(shí)自己國(guó)家的基礎(chǔ)上，因此，踐行愛(ài)國(guó)主義必須要“樹(shù)立和堅(jiān)持正確的歷史觀、民族觀、國(guó)家觀、文化觀”[注]中共中央宣傳部：《習(xí)近平總書記系列重要講話讀本(2016年版)》，北京：學(xué)習(xí)出版社，2016年，第203頁(yè)。。只有深刻認(rèn)識(shí)祖國(guó)的悠久歷史和深厚文化，才會(huì)不斷增強(qiáng)中華民族的歸屬感、認(rèn)同感、尊嚴(yán)感、榮譽(yù)感，不斷增強(qiáng)做中國(guó)人的骨氣和底氣。

圖2

這套夾具解決了激光加工過(guò)程最關(guān)鍵的兩個(gè)問(wèn)題。

首先是保持碟片在加工過(guò)程的正確空間狀態(tài)。參見(jiàn)圖2，件號(hào)1 是一個(gè)剛性很好的“定位錐體”，用數(shù)控車床加工，內(nèi)錐度與碟片完全一致。通過(guò)件號(hào)2“壓緊環(huán)”，將碟片輕輕地軸向固定。這樣，結(jié)構(gòu)輕薄的碟片被“定位錐體”緊密包裹，從而確保了碟片的理想幾何狀態(tài)；夾具體由數(shù)控鏜床精確加工，“定位錐體”的軸線與夾具安裝基準(zhǔn)面的傾斜角度α=35°，正好是碟片錐角的一半。當(dāng)夾具安放在激光切割機(jī)的底座上，用水平儀調(diào)正基準(zhǔn)面時(shí)，碟片錐面母線與激光噴嘴中心線就形成垂直狀態(tài)。

接著要解決的問(wèn)題是，碟片八個(gè)“中性孔”圍繞圓錐軸線均勻分布，它們的空間位置有較高的形位公差要求。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，我準(zhǔn)備了自動(dòng)分度和手動(dòng)分度兩個(gè)方案。試制的初始階段，我采取的是手動(dòng)分度方案，這里稍為詳細(xì)描述一下。在件號(hào)1“定位錐體”設(shè)計(jì)了八個(gè)均布的“定位孔”，這些孔通過(guò)數(shù)控鉆床加工出來(lái)，具有比“中性孔”更高的位置精度。

激光切割前，先用件號(hào)3“定位銷”卡住“定位孔”。切割機(jī)的坐標(biāo)定位器設(shè)定工作零位，激光頭找到碟片母線最高點(diǎn)的兩個(gè)特征點(diǎn)，控制器自動(dòng)產(chǎn)生切割坐標(biāo)。接著按照碟片圖紙輸入“中性孔”輪廓投影線的激光噴嘴移動(dòng)程序。值得注意，碟片“中性孔”的周邊輪廓與碟片錐面的交線是閉合的三維空間曲線，它不是在一個(gè)平面上。因此在激光切孔過(guò)程中，需要將激光噴嘴的升降機(jī)構(gòu)設(shè)置為“傳感器自動(dòng)控制”模式。當(dāng)噴嘴按照中性孔輪廓投影線移動(dòng)時(shí)，傳感器同時(shí)對(duì)噴嘴到碟片表面的距離進(jìn)行跟蹤及調(diào)整，使噴嘴始終保持在合適的切割距離。

切割完一個(gè)中性孔之后，暫時(shí)關(guān)閉激光束，噴嘴升起。退出“定位銷”，將“定位錐體”并同碟片旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，“定位銷”卡住下一個(gè)“定位孔”，激光機(jī)再切割第二個(gè)中性孔。如此循環(huán)，很快加工完八個(gè)中性孔。由于夾具上的“定位孔”分布的圓周大小，與碟片“中性孔”的圓周大小接近，因此理論上，碟片八個(gè)“中性孔”的形位公差基本繼承夾具上 “定位孔”的分布精度，從而實(shí)現(xiàn)了“中性孔”的空間位置較高的形位公差要求。

我們選擇德國(guó)TRULASER3030 型激光切割機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。激光器功率設(shè)為2800W，噴嘴移動(dòng)速度約為6m /min。根據(jù)手動(dòng)分度方案試驗(yàn)時(shí)的記錄，切割整個(gè)碟片的全部“中性孔”，包括裝卸時(shí)間在內(nèi)，約需二分鐘左右。

自動(dòng)分度方案是手動(dòng)方案的改進(jìn)版，可以減輕切割工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，使操作更為準(zhǔn)確、輕松。其原理是在夾具定位裝置的后部加裝一套雙頭萬(wàn)向聯(lián)軸器。當(dāng)使用瑞士BYSTAR 激光切割機(jī)，它的管材切割旋轉(zhuǎn)夾盤（選配部件）可與夾具的萬(wàn)向聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)柔性連接。夾具的定位銷先確定碟片的初始位置，切割完一個(gè)孔之后，暫時(shí)關(guān)閉激光束，噴嘴升起。切割機(jī)的旋轉(zhuǎn)夾盤帶動(dòng)夾具上的碟片旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，等于兩個(gè)中性孔之間的夾角。旋轉(zhuǎn)動(dòng)作由激光切割機(jī)程序自動(dòng)完成。然后，繼續(xù)切割下一個(gè)孔。

“中性孔”加工后，我們經(jīng)過(guò)對(duì)碟片零件的檢測(cè)，確認(rèn)了碟片的加工質(zhì)量是合格的。

當(dāng)需要對(duì)碟片進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，我的夾具可以快速響應(yīng)。比如，碟片的錐度需要修改設(shè)計(jì)，那么夾具相應(yīng)修改“定位錐體”的錐面即可；又如，設(shè)計(jì)部門修改碟片“中性孔”的尺寸甚至形狀，本加工方法只需相應(yīng)改寫激光噴嘴的移動(dòng)程序就可以了。

這個(gè)全新的方法是金屬冷、熱加工“跨界”組合的嘗試。使用激光切割加工碟片中性孔，對(duì)比傳統(tǒng)的沖剪方法，有針對(duì)性地解決了后者的幾個(gè)困擾產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難題，同時(shí)又滿足了設(shè)計(jì)要求，具有非常誘人的優(yōu)越性。綜上所述，這個(gè)探索方向是值得肯定的。