薄壁零件加工毛坯及夾具設計

(西北工業大學明德學院機電工程系，陜西西安 710124)

(西北工業大學明德學院機電工程系，陜西西安 710124)

文章分析了某航空薄壁型零件三維實體模型的結構特點，按照不同生產階段的實際要求，設計出不同生產階段的毛坯結構。結合企業生產實際情況，設計出一套結構簡單且滿足不同生產階段的數控加工的夾具。根據設計的夾具方案調整了初期設計毛坯的結構，使薄壁零件裝夾時受力均勻，減少了零件的變形。最后通過實際加工進行驗證，結果表明調整后的毛坯及數控銑削夾具的設計滿足不同生產階段的實際需求，降低了零件的生產成本。

薄壁零件;毛坯;夾具設計

0 前言

由于薄壁類零件結構形狀復雜，相對剛度較低，故加工工藝性差。近年來，隨著數控技術的發展，航空薄壁類復雜零件變得越來越多，為了更好的控制薄壁零件加工時的變形問題，毛坯和夾具設計就顯得十分重要。

1 零件分析

現有某航空薄壁三維零件模型如圖1所示。該零件的圓心角為114°，接近半環型，最大壁厚為16.5 mm，最大直徑為φ577 mm，壁厚∶直徑=1∶31，零件的高度為390 mm。另外零件的內外表面還有很多弧形槽、平面槽和若干個通孔和不通孔，其結構非常復雜。由于該零件裝在特殊的位置，所以必須保證零件裝配時的弧度。

圖1 薄壁三維零件模型Fig.13D model of thin-walled part

零件材料選用2A12鋁合金，這種材料主要用于制作各種高負荷的零件和構件(但不包括沖壓件鍛件)如飛機上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘等150℃以下工作零件?；瘜W成份包含了鋁Al、硅Si、銅Cu、鎂Mg、鋅Zn、錳Mn、鈦Ti、鎳Ni、鐵Fe等成分。2A12鋁合金力學性能中抗拉強度σb/MPa≥410;條件屈服強度σ0.2/MPa≥265;伸長率δ5/%≥12。2A12鋁合金為一種高強度硬鋁，可進行熱處理強化，在退火、剛淬火和熱狀態下可塑性中等，2A12鋁合金點焊焊接性良好，用氣焊和氬弧焊時有形成晶間裂紋的傾向;2A12鋁合金在淬火和冷作硬化后可切削性能尚好，在退火狀態時不良。抗蝕性不高，常采用陽極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層以提高抗腐蝕能力。

2 毛坯的設計

根據零件材料加工特性、加工精度要求和零件的生產類型提出兩種毛坯的設計方案。

方案一。產品試制階段，由于航空類產品在試制階段生產量均很小，所以按單件產品進行設計。單件加工時比較困難，因為它不是一個整圓件，整個零件圓心角為114°，零件的內外壁上還需要進行多個槽及孔的加工，在銑削加工中心機床上是連續切削，定位夾緊也很困難，需要特殊的夾具。由于零件壁厚只有16.5 mm，如果直接壓在零件上，會導致零件在加工過程中受力不均勻而發生變形，同時夾緊處在裝配時無法滿足要求。故考慮在該零件的上下端各增加一個內徑為252 mm和外徑為306.5 mm的弧形板，零件的上端加厚8 mm，下端加厚6 mm。通過增加弧形板使毛坯與夾具之間增大了接觸面，夾緊力可以更加均勻的分布在工件上，從而使工件夾緊時不易產生變形。同時在加寬的下底面上鉆三個定位孔，確保毛坯的定位，如圖2所示。

圖2 單件毛坯Fig.2Single blank

方案二。產品批生產階段，當該零件進入批生產階段后，原有的單件加工模式已經不利于生產的組織，由于單個零件的夾角未超過120°，所以三個零件可以構成一個整圓形毛坯，這樣不僅加工效率高，而且整圓的內應力分布比較均勻，加工時定位夾緊也相對容易，夾具的設計也相對簡單。通過三件合成整圓一起加工，完成后再分成三個單件。同樣為了保證夾緊的要求，考慮在整圓的上下端各增加一個內徑為252 mm和外徑為306.5 mm的圓形板，零件的上端加厚8 mm，下端加厚6 mm，如圖3所示。

圖3 多件毛坯Fig.3Multiple blanks

3 工藝路線的擬定

根據企業生產的不同階段采用的不同的毛坯類型，分別進行不同的加工工藝路線設計。

單件加工工藝路線。銑外形→加工中心銑兩頭→數控立車半圓形內側→數控立車半圓形外側→加工中心鉆、銑、鏜內表面→加工中心鉆、銑、鏜外表面→清洗→檢驗→熱處理→校正→銑(切開)→修磨(邊)→清洗→檢驗;

多件加工工藝路線。數控立車圓形內側→數控立車圓形外側→加工中心鉆、銑、鏜內表面→加工中心鉆、銑、鏜外表面→清洗→檢驗→熱處理→校正→銑(切開)→修磨(邊)→清洗→檢驗。

4 夾具的設計

根據工藝路線中所涉及的數控車、數控銑均要對毛坯件進行夾緊定位，所以盡量設計一套簡單且同時滿足兩種加工類型的需求。如果為單件加工，則設計一個圓盤型的底座，根據零件的尺寸以及實際經驗值，該底座直徑為φ640 mm，厚度60 mm，正面上下分別有三個均布的6-φ10 mm，深度為10 mm的不通孔作為與零件相配合的定位孔;6-M16的壓緊螺釘孔，目的是在加工外圓面時壓板螺釘桿的螺紋孔;6-M16的支撐螺釘孔，目的是在加工零件的外表面時安裝支撐桿;還有4-M16的螺紋沉孔，四個孔成390×390 mm，目的是將圓盤底板與數控立車、數控銑工作臺相連接的孔;中間鉆有φ30 mm的中心孔，目的是為了與找正定位使用。如圖4所示。

圖4 底座正反面Fig.4Two sides of the foundation

定位銷為φ10 mm，長度30 mm，主要是為了將毛坯固定在底板上，如圖5所示。

圖5 定位銷Fig.5Dowel pin

壓桿螺柱一端為M16，長度為20 mm，此段是旋合固定在地板上，另一端為M16，長度為100 mm，目的是與螺母旋合并調整壓緊的高度，中間為φ20 mm，高度為350 mm，如圖6所示。

圖6 壓桿螺柱Fig.6Stud

支撐桿一端為M16，高度為50 mm，用于固定在機床上;另一端為φ36 mm，高度為370 mm，同時對該端進行R18的邊倒圓，使上端在頂起壓板時接觸面減小，保證夾緊的精度，如圖7所示。

圖7 支撐桿Fig.7Support bar

壓板，總長為180 mm，寬度為60 mm，厚度為30 mm，前端寬度為40 mm，梯形長度為30 mm，中間開有寬度為18 mm、長度為50 mm的長槽，該槽在壓桿螺釘穿過的基礎上使壓板可以進行前后調整，從而達到最佳的夾緊效果，如圖8所示。

圖8 壓板Fig.8Platen

另外加上M16的墊圈與螺母等共同構成組合夾具，保證了零件在加工過程中的夾緊定位。

5 生產驗證及方案調整

由于薄壁類零件的形狀和結構的多樣性以及本身具有剛度低的特點，裝夾時施力的作用點不同，產生的變形就不同。通過對單件毛坯的裝夾試切，發現零件在裝夾時由于上端板面較寬，壓板無法完全的壓緊在零件的中間部位，發生微小的翹起。大量實踐證明，增大工件與夾具的接觸面積或軸向夾緊，可有效降低零件裝夾時的變形。如在銑削加工薄壁件時，大量使用彈性壓板，目的就是增加接觸零件的受力面積;在車削薄壁套的內徑及外圓時，無論是采用簡單的開口過渡環，還是使用彈性芯軸、液體塑料夾具等，均是增大工件裝夾時的接觸面積。這種方法有利于承載夾緊力，從而避免零件的變形。軸向夾緊工裝由于制造簡單，在實踐中被廣泛使用。但在銑削加工時經過實際裝夾，雖然通過加寬上下接觸面，但是在壓緊螺釘的作用下壓板有側偏現象，為了保證壓板的夾緊力處在零件上，現將原設計的毛坯進行修改，主要是在零件的上方增加一段與零件位置相同并且等寬的圓弧，厚度為1 mm，這樣就能保證壓板的壓緊力效果更佳，如圖9、10所示。

根據零件的研制特點，首先選用單件調整后的毛坯，按照使用預先設計好的夾具，進行裝夾試切，通過實際生產的驗證，證明所設計的單件調整后毛坯方案和夾具設計方案切實可行，生產加工實例如圖11所示。

圖11 生產加工實例Fig.11On-line production

6 總結

目前，對于薄壁零件的數控加工變形控制的研究非常多，但是從企業實際生產角度考慮較少。本文的研究表明，對于一個薄壁零件，在不同生產階段所設計的毛坯也不盡相同，裝夾方案也會有所不同，尋找一種簡單切實可行的夾具設計方案，既可保證生產，又為企業節約了成本。

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薄壁零件加工毛坯及夾具設計

侯偉

Blank and fixture design of thin-walled part

HOU Wei
(Department of Mechanical and Electrical Engineering，Northwestern Polytechnical University Ming De College，Xi'an 710124，China)

This article firstly analyzes the structural features of the solid model of the aviation thin-walled parts，designs the different blanks in accordance with the different stages of production.Combined with the production situation，designs a simple structure to meet the different stages of production CNC fixture.And then adjusts the structure of the initial design blank according to the design of the fixture in order to force uniform and reduce the deformation.Finally，through the actual processing the results show that the designs which the blank and fixture are not only meeting the actual needs of the different stages of production，but also reducing the production cost of the parts.

thin-walled part;blank;fixture design

TH122

A

1001-196X(2014)05-0087-04

2014-04-28;

2014-06-07

侯偉(1980-)，男，西北工業大學明德學院機電工程系講師，碩士，主要從事機械設計、工藝、CAD/ CAM等。

技術改造