焊接模具工装设计(异形组焊零件数控加工工装设计与改进)

Posted 2023-06-02

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焊接模具工装设计(异形组焊零件数控加工工装设计与改进)

生产实践中，许多零件是由多个部分组焊，再经机械加工而成，而这些零件组焊后往往形状不规则，在实际加工中会出现定位基准不易确定，找正、装夹困难的情况。

蓄能器本体就是一种典型的组焊异形零件。本文通过分析该产品的零件结构及加工难点，制定加工工艺流程，确定加工方案，通过加工顺序工艺流程的优化、生产设备的合理选用、加工工序的对比、工装的设计以及加工中工装设计的改进，达到一次性保证零部件所有加工要素、尺寸精度和几何公差的要求。

零件结构介绍及加工难点分析

（1）零件结构。蓄能器本体由导向筒、左支撑板、右支撑板和支耳4部分组焊而成，其外形与飞机相似，如图1所示。

图1 蓄能器本体结构

底部支耳为“前轮”，左、右支撑板为两“侧翼”，中间导向筒回转部分为“机身”。导向筒为台阶式薄壁空心杆，长度150mm，外圆直径40mm，内孔直径34mm。左、右支撑板分别焊接在导向筒两侧且间距尺寸为120mm，支耳焊接在导向筒回转体正中间。

（2）加工难点。蓄能器本体为手工组焊件，焊接过程中各组件定位偏差较大，焊后存在焊接变形，且该件组焊完成后需进行表面喷砂处理，喷砂处理后产品表面粗糙度增大，导致机械加工过程中出现定位基准不易确定、找正和装夹困难的问题，很难保证尺寸加工精度和几何公差要求。

根据设计要求，如图1所示，在回转体0°、90°和180°方向分别都有加工要素，其中在支耳方向加工要素居多，且关键尺寸较为集中，因此将支耳设为0°方向。导向筒回转部分180°方向设计有长51mm、宽12mm槽，支耳处加工通槽宽为4（+0.075， +0.035）mm，在保留焊缝的前提下加工完成支耳外形，保证支耳厚度为12mm，并制成孔φ8（+0.015，0）mm和2M2螺纹通孔，保证孔φ8（+0.015，0）mm、支耳通槽宽为4（+0.075，+0.035）mm且对称度为0.02mm；在90°方向支耳侧面进行孔φ5（+0.012，0）mm加工，并确保与孔φ8（+0.015，0）mm尺寸26±0.1mm和导向筒中心位置32mm，并在左、右斜板处加工制成4M5、4φ12mm孔，保证相关位置尺寸65.5mm、45mm和45mm。

由于该零件支耳、孔φ8（+0.015，0）mm、2M2螺纹通孔要与杠杆、锁轴、锁轴销和销轴组装后进行灵活可靠运动，要求无卡滞现象，如图2所示，所以图1中支耳外形12mm、槽4（+0.075，+0.035）mm、φ8（+0.015，0）mm和2M2螺纹通孔、支耳侧面孔φ5（+0.012，0）mm成为该产品的加工难点。

图2 蓄能器装配示意

1.锁轴销 2.锁轴 3.杠杆 4.销轴

制定加工工艺流程及确定加工方案

因该零件在回转体多个方向有加工要素，且加工要素分散在四个组焊件中，必须合理安排加工流程，结合实际加工经验和该产品复杂结构，确定加工工艺流程。

（1）加工顺序。0°方向为第一加工点（加工支耳厚度12mm、支耳通槽宽4（+0.075，+0.035）mm、制成孔φ8（+0.015，0）mm和2M2螺纹通孔、制成左和右斜板处4M5孔以及4φ12mm孔），90°方向为第二加工点（加工支耳侧面孔φ5（+0.012，0）mm，并确保与孔φ8（+0.015，0）mm、尺寸26±0.1mm和导向筒中心位置32mm尺寸要求），180°方向为第三加工点（长51mm、宽12mm环形槽）。

（2）加工方案。加工方案1：选用三轴立式加工中心，使用通用夹具平口钳作为夹具进行定位装夹，按上述加工顺序进行加工。用平口钳夹紧两端面，并在左、右斜板下端放置两个千斤顶作为辅助支撑进行加工。该种加工方案在实施后，其0°方向的多个关键加工要素无法保证尺寸精度及几何公差要求，导致与之配合的其他零部件无法正常使用，同时工步分散加工，需要多次找正、装夹零件，辅助时间浪费多、没有遵循基准统一原则，造成产品报废率较高，所以该方案不可行。

加工方案2：数控加工中心本身是一种功能较全的数控机床，它可以把铣削、镗削、钻削和攻螺纹等加工集中在一台设备上，一次装夹可以实现多工序集中加工，减少多次装夹带来的误差，利用加工中心“多工序集中”的优势，结合加工方案1的经验和方法改变加工思路，将数控“柔性化”思想引用到实际生产中。本加工方案选用立式四轴加工中心，制作台阶式心轴，利用上道工序已加工完成的导向筒内孔为定位基准，采用“一夹一顶法”，并在左、右支撑板下用千斤顶做辅助支撑，增强刚性，保证进行一次装夹满足回转部分所有加工要素，该加工方法装夹次数少，更有利于保证各表面间的位置精度，能够极大地减少辅助时间的浪费，从而大幅提高生产效率。

工装设计及使用中的改良

（1）工装设计。结合零件结构特点制作台阶式心轴，如图3所示。该工装包括夹紧部分、定位部分、配合部分、锁紧部分及顶尖辅助部分。该工装在制作时需保证一次加工完成，因为零件组焊、外形喷砂过后本身没有基准，工装做好后，将零件与工装配合装夹好，要在工装上作为Y方向的基准点来进行对刀。该工装在车削过程中圆柱度、同轴度需保证在0.02mm以内，其尺寸精度与零件导向筒内孔尺寸控制在间隙配合为最佳，表面粗糙度值控制在Ra＝3.2μm以下。

图3 台阶式心轴示意

（2）工装使用中的改良。在该加工方案实施后，满足了加工要素的要求，尺寸精度和几何公差得到了有效保证，但在批量加工中，由于0°方向2M2螺纹孔、φ8（+0.015，0）mm孔和180°方向长51mm、宽12mm的环形槽为通孔、通槽，所以在加工时会切削到工装表面，这样极大地损坏了工装的刚性、使用寿命，同时导致其表面粗糙度增大，产生毛刺，在与导向筒配合时严重划伤导向筒内孔，工装在使用中报废率增大，需要一直重复制作工装，极大地增加了工作量。所以在加工完第一件零件后，在工装的定位部分铣削一个90°定位面，如图4所示，将此平面作为90°方向的基准，在每次装夹时用弯尺靠平该基准面，工装便可以避免零件在加工中出现圆周方向不同程度的切削损坏，达到重复使用的效果。

图4心轴改进示意

使用工装后的效果

综合上述两种加工方案的实施和对比，采用方案一时工步分散加工需要多次找正、装夹零件，辅助时间多、生产周期较长，50件产品需要6个工作日来完成，且报废率高达60%。采用方案二时使用心轴工装进行“一夹一顶”法加工，一次装夹满足所有加工要素的要求，装夹次数少、能够极大地减少辅助时间的浪费，从而更有利于保证各表面间的位置精度，50件产品需要3个工作日完成，生产效率提高50%，产品合格率高达100%。

结语

本文针对异形管类组焊零件的特殊形状和复杂结构，在加工时装夹和找正难度大，无法满足高精度、高质量设计要求的问题，通过设计心轴工装，有效地解决了实际加工中的生产瓶颈，产品质量有效提高，生产效率大幅提升。同时，该心轴为类似产品的加工寻找了有效的加工思路，成为四轴加工中心“一夹一顶”法的重要工装。