水表殼異形件一體式加工工裝設計與加工

陳太麗

（福建船政交通職業學院 機械與智能制造學院，福州 350007）

0 引言

水表是流量測量領域中使用量較大、使用面較廣、品種規格較為齊全的計量儀表之一。在供、排水流量計量、水費貿易結算、能源計量和工農業用水過程控制等方面都有舉足輕重的地位[1]。其主要由鑄鐵表殼、機芯總成、表蓋組成。表殼采用消失模工藝制造，表面質量好，尺寸精度高，機械加工余量少，僅在加工面上留有1.5 mm的加工余量[2]。由于市場需求量大，在鑄鐵表殼的加工工藝上主要采取三端數控車床專機與工裝配合加工形式進行加工，一次裝夾即可同時完成三端面加工，加工效率高[3]。在工裝的設計上主要采用型材機械加工后進行焊接或螺栓等連接裝配，若工裝系統剛度及定位精度存在缺陷，會導致裝夾不牢靠、加工表面振刀等問題。本文針對工裝系統剛度及定位精度提出解決方法，從而達到裝夾可靠、提高加工表面質量及加工效率的目的。

1 傳統加工工裝的不足

在傳統水表殼的制作上，主要采用先加工板材，后再進行焊接等工藝，最后對主要的配合面進行最后的精加工，如圖1所示。

圖1 焊接工裝

焊接工裝在使用上存在以下缺點：1）焊接件系統剛性差，在水表殼粗加工時振動量大，加工表面出現振刀紋路，加劇了刀具磨損，如圖2所示。2）焊接工裝在使用過程中易產生形變，影響加工精度及工件夾持的穩定。3）焊接位置在長時間加工的振動過程中，容易導致焊縫疲勞斷裂等焊接缺陷的產生。

圖2 加工面振刀缺陷

2 加工工裝的設計及工藝制定

針對上述焊接工裝在使用過程中存在的不足之處，現進行全新的工裝設計，采用UG軟件進行模型分析，設計出工件夾持的位置。工裝采用底座支撐定位，上壓蓋進行液壓壓緊固定。在工裝的毛坯材料制作上采用消失模鑄造方法進行鑄造成型，材質牌號選擇HT200，因其具有良好的耐磨性能，以及良好的抗振性能，且材料制備方便，可以在表殼生產過程中一起澆鑄生產，在鑄造車間就可以進行澆鑄生產，能節約生產成本。最終進行工裝主要配合面的數控加工，完成工裝的制造過程。工藝路線如圖3所示。

圖3 工藝流程

2.1 工裝三維模型設計

通過對表殼的曲面與加工位置進行分析，確定了裝夾夾持面的位置，如圖4黑色位置所示，夾持面的厚度為30 mm，這樣既可以保證夾持的穩定，同時也可以減少接觸面，保證表殼定位的可靠性。

圖4 表殼工裝夾持面

將水表殼的三維圖形導入UG軟件中，進行工裝底座與上蓋的三維圖形設計。如圖5所示，在工裝的底座上，設計與機床底座配合的U形槽位置，用以調節工裝在三端數控車床中前后位置。在設計時水表殼的高度及左右位置在三維模型中進行確定，并且在最終的數控加工中心加工時得以保證。壓蓋部分的設計上，考慮到輕量化設計理念，將接觸面的厚度減少到20 mm，便于工人在加工過程中的操作。

圖5 加工工裝

2.2 工裝泡沫模型制作

根據設計好的工裝三維尺寸進行工裝泡沫模型制作。制作模型采用聚苯乙烯（EPS料）泡沫板進行熱切割。消失模模樣的材料主要有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（EPMMA料）和聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯（STMMA料）3種[4]。這3種材料聚苯乙烯（EPS料）在澆鑄過程中發氣量較少，可以保證澆鑄過程的穩定進行，并且價格成本較低，故選用聚苯乙烯（EPS料）進行泡沫模型的制作。

在制作模型時先對工裝底座進行拆解，利用電熱絲切割機分別割出工裝底座板和支撐位置，然后再將二者用膠水進行粘連，上蓋的制作方法也是一樣，先制作方形上蓋底板，再切割出周圍的立板，泡沫底座模型如圖6所示。

圖6 泡沫模型

2.3 工裝鑄造模型制作

在進行消失模鑄造之前，需要對消失模模型表面進行耐火材料的覆涂，耐火涂料在模型的表面需要形成1.5 mm左右厚度的殼體，形成的表面殼體需要有足夠的硬度、透氣性，在澆鑄完成后又需要有良好的脫落性。涂料涂抹的過程是將模型完全浸沒在涂料池中，需要3次涂抹過程。第1次涂抹采用鱗狀石墨，將涂抹后的工件在烘干房進行烘干，時間控制在48 h，溫度控制在40～45 ℃；第2次涂抹采用鋁-硅系耐火涂層材料，在涂抹后進行烘干12 h，溫度控制在40～45 ℃；第3次涂抹與第2次一樣，重復第2次的操作，目的是為了增加涂層的厚度，最終保證表面涂層厚度達1.5 mm左右。涂層質量好壞將直接影響鑄件成型的質量。

2.4 工裝消失模鑄造成型

在制備好鑄件模型并配備澆鑄系統后，進行裝箱澆鑄，把制備好的鑄件模型與澆鑄系統放入負壓砂箱中，砂箱底部放有粒度為20～40 目的寶珠砂打底，再放入鑄件模型，然后在箱中裝滿寶珠砂，表層覆蓋塑料薄膜后，再將砂箱放置在振實臺上進行振實操作。

裝好箱的鑄件模型在負壓系統中進行澆鑄，在澆鑄過程保持0.05 MPa的負壓，澆鑄后進行5 min的保壓成型，負壓值控制在0.02～0.03 MPa，5 min后進行卸壓，在澆鑄1 h后就可以開箱取件，清理澆鑄系統后，進行拋丸處理[5]。工裝鑄件底座如圖7所示。

圖7 工裝鑄件底座

2.5 工裝數控加工

加工底座與上壓蓋的加工精度直接影響工裝的夾持精度與穩定性。工裝夾持接觸面均為曲面，為保證加工精度，采用數控加工中心進行加工。毛坯采用的是消失模精密鑄造，只在配合面位置少留有加工余量，加工工藝簡單，加工量少。將設計好的工裝模型導入UG軟件，以鑄件毛坯為加工毛坯，進行加工工藝及程序的編制，最后處理NC代碼，傳輸到加工中心進行機械加工。

加工底座加工工藝路線為：1）夾持加工底座上表面位置，以毛坯上平面為粗基準，加工底面，保證加工底面平整，材料去除均勻即可；2）掉頭裝夾，以加工好的底面為基準，加工底座總高度，保證加工工裝的高度符合機床的中心高度；3）粗加工工裝配合面位置，表面留0.3 mm余量進行后續精加工；4）精加工配合曲面位置，保證配合曲面精度及表面粗糙度符合要求；5）去毛刺，修整銳角。加工刀路軌跡如圖8所示，加工工藝如表1所示。

圖8 加工底座刀路軌跡圖

表1 加工底座加工工藝

上壓蓋加工工藝路線為：1）加工上平面，保證加工面平整、材料去除均勻即可；2）粗加工工裝配合面位置，表面留0.3 mm余量進行后續精加工；3）精加工配合曲面位置，保證配合曲面精度及表面粗糙度符合要求；4）去毛刺，修整銳角。加工刀路軌跡如圖9所示，加工工藝如表2所示。

圖9 上壓蓋加工刀路軌跡圖

表2 上壓蓋加工工藝

3 安裝應用

將加工好的工裝安裝在三軸數控車床定位座上，以刀具旋轉中心面為基準，調整好工裝在定位座前后的距離即可，安裝調整方便，實際使用效果如圖10所示。

圖10 實際使用效果圖

4 結語

工裝毛坯采用消失模鑄造方式進行鑄造成型，可提高工裝的整體剛度。采用HT200材質鑄造，增加了工裝的抗振、吸震性能，加工時的振刀現象得以改善。采用鑄造形式制作工裝毛坯，只在配合面位置留有較少加工余量，減少了數控加工的工作量，只需加工基準底面及主要配合面，同時鑄件工裝為一個整體，提高了工裝的定位精度。在工裝的制作過程中可節約材料，達到綠色環保、節能的目的。