工藝凸臺是為了滿足零件在數(shù)控加工過程的定位、裝夾要求,在零件本體外部或零件本體上預留的非設(shè)計需要的塊體,零件加工完成后需要由常規(guī)工段或者裝配廠去除。工藝凸臺設(shè)計方案的合理性,影響零件加工過程中零件裝夾的精度、機床停機裝夾的次數(shù)、零件材料的利用率,以及后續(xù)去除凸臺所需要的常規(guī)銑工、鉗工等工種的工作量。
數(shù)控機加零件的常用定位裝夾方式一共有三種:兩孔一面、一孔兩面、三個相互垂直面定位,如圖1所示。
(1)兩孔一面:兩孔一面定位方法適用于框、梁、肋、角盒、型材及需要兩次以上裝夾的零件,零件多為薄壁、多型腔和無定位基準的零件,其特點是定位精度高、工裝準備時間短、加工通用性強。
圖1 常用定位裝夾方式
(2)一孔兩面:適用于接頭、支座類零件,此方法不常用,一般零件因加工受限或原材料受限可采用此方法。其特點是加工需要借助工裝夾具定位,定位穩(wěn)定性不高。
(3)三個相互垂直面定位:此方法有兩種夾緊方式,虎鉗夾緊和用壓板在工作臺上壓緊,其特點是重復定位精度不高,但材料使用少?;Q夾緊適合接頭、支座類零件,適合位置精度、形位公差要求不高的零件,通常只需一次裝夾加工完成的零件;壓板壓在工作臺上適合簡單的框、底板、支座零件,要求零件銑削量少、有壓緊位置、加工完后剛性好,通常只需一次裝夾加工完成的零件。
雖然數(shù)控機加零件的常用定位裝夾方式一共只有三種,但是由于詳細規(guī)范不統(tǒng)一,存在很多問題以及缺點:
(1)所有零件在設(shè)計工藝凸臺時未統(tǒng)一設(shè)計定位孔、壓緊孔、壓緊凸臺、壓緊螺釘;導致不同零件存在不同的定位孔尺寸、孔距、壓緊凸臺間距,使每個零件加工前,需要重新鉆孔、壓緊工具,存在通用性差、加工準備時間長、極大減少機床墊板壽命等缺點。
(2)工藝定位孔不在零件中心對稱線上、壓緊孔不關(guān)于零件中心線對稱導致翻面加工裝夾時,需要在零件墊板上重新鉆孔,存在通用性差、加工準備時間長、極大減少機床墊板壽命等缺點。
(3)零件連接凸臺在加工程序中銑開的位置未統(tǒng)一,有的零件未加工完時將凸臺銑開,導致零件加工剛性差,容易造成零件故障,產(chǎn)生不合格品。
(4)零件連接凸臺位置不統(tǒng)一,很多零件工藝凸臺搭接的位置在復雜的形面上,導致常規(guī)去除凸臺難度加大。
(5)零件連接凸臺厚度不統(tǒng)一,很多零件連接凸臺厚度太厚,加大常規(guī)去除工作量,連接凸臺厚度太薄,滿足不了零件加工剛性要求。
2.1 設(shè)計原則及標準
工藝凸臺設(shè)計方案考慮因素如圖2所示。
圖2 工藝凸臺設(shè)計方案著手考慮因素
2.2 凸臺標準化設(shè)計方案具體原則
2.2.1 工裝通用程度方面
所有零件在設(shè)計工藝凸臺時優(yōu)先考慮數(shù)控通用工裝來設(shè)計定位孔、壓緊孔、壓緊凸臺;壓緊螺釘優(yōu)先采用M16的螺釘,以滿足通用工裝要求;當為了滿足數(shù)控通用工裝要求,允許因調(diào)整壓緊孔或壓板位置而增加毛料尺寸,增加材料寬度不超過20 mm;當經(jīng)過調(diào)整仍無法滿足數(shù)控通用工裝要求,允許使用自制鋁墊板或?qū)S霉ぱb夾具加工。
2.2.2 減少準備時間方面
需翻面加工的零件兩工藝孔中心連線盡量在毛料的對稱中心線上。需翻面加工的零件壓緊孔盡量關(guān)于工藝孔中心連線對稱,如圖3。
圖3 壓緊孔設(shè)計
2.2.3 保證加工剛性方面
凸臺連接部位必須最后銑開,當加工需要可局部銑開,以保證加工剛性;對于零件本身無基準平面或支撐面不夠可在筋條、腹板面或型面上增加支撐凸臺。
2.2.4 零件節(jié)約材料方面
異型材和加工全懸空的零件可在周邊框起搭凸臺,其余不允許框起搭建凸臺的,利用自身結(jié)構(gòu)特征搭建凸臺,優(yōu)先考慮零件減輕孔、零件自身加工殘留塊作為工藝凸臺;工藝孔設(shè)置在零件長方向,工藝孔邊距要求為2~5 mm。
2.2.5 常規(guī)去除難度方面
凸臺最終連接處盡量連接在平面上;在材料允許的情況下,凸臺與零件之間留過刀槽,并將連接處銑薄;單個壓緊凸臺寬為60~80 mm;凸臺最終連接處凸臺寬10~20 mm,若為單個凸臺,連接處可以與凸臺一樣寬(即60~80 mm寬),厚度3 mm(或與腹板厚度保持一致)。當凸臺連接處側(cè)面為平面、大曲率型面,可以采用搭接方式或連接方式連凸臺;當凸臺連接處為弧面、小曲率型面,需采用搭接方式連凸臺;搭接方式要求如圖4所示,且單個連接處寬度不超過20 mm。
圖4 凸臺連接部位設(shè)計
2.2.6 刀具加工性能方面
當?shù)毒吖ぷ鏖L度超過4倍徑時,要求壓緊孔制沉頭孔,壓板壓緊處凸臺銑低,其中深度20~30 mm、長度30~50 mm、寬度10~20 mm,如圖5所示。
圖5 凸臺壓板壓緊槽設(shè)計
2.2.7 凸臺間距設(shè)置方面
框、梁類零件兩側(cè)凸臺盡量利用零件本身殘留設(shè)置,壁厚大于等于3 mm且非懸空剛性好的零件凸臺間距300 mm,其余建議間距200 mm,若側(cè)面凸臺利用自身殘留塊體搭建或因結(jié)構(gòu)影響可不嚴格按此要求。若小零件套裁加工導致材料加長加寬可參考框、梁類零件搭建凸臺。
2.3 框類零件工藝凸臺設(shè)計
(1)當零件腹板上有減輕孔、外形有加工殘留凸塊時,利用減輕孔和殘留凸塊搭建凸臺, 壓緊孔、工藝孔可設(shè)置在減輕孔內(nèi),如圖6。
圖6 某型機帶減輕孔框類零件
(2)當零件中間無減輕孔和殘留凸塊時,凸臺只能在零件之外增加材料搭建,如果筋條頂面低于凸臺定位面,為保證加工剛性,可在筋條相交處增加支撐凸臺以增加支撐效果;如果進入批生產(chǎn)可考慮訂專用工裝,以筋頂面作基準面,高出筋頂面部分沉入工裝中,如圖7。
圖7 某型機不帶減輕孔框類零件
2.4 梁類零件工藝凸臺設(shè)計
(1)梁類零件多為細長零件,零件兩側(cè)面需搭建凸臺,凸臺位置按指導要求設(shè)置,如果受零件結(jié)構(gòu)影響可調(diào)整位置,如圖8所示。
圖8 某型機梁的凸臺設(shè)置方案圖
(2)零件采用成組套裁加工,中間留壓緊凸臺,壓緊處可不過刀;當零件寬度小于70 mm且剛性好的零件兩側(cè)外形不留凸臺。如圖9。
(3)零件采用成組套裁加工(要求零件寬度不超過70 mm),中間不留壓緊凸臺只連接,壓緊處在兩側(cè)提前銑低至10~20 mm高,不留過刀寬度,如圖10所示。
圖9 某型機梁的套裁凸臺設(shè)置方案圖
圖10 某型機梁的套裁凸臺設(shè)置方案圖
(4)零件采用成組套裁加工,利用零件自身特點中間留壓緊凸臺,兩側(cè)不留凸臺,如圖11所示。
圖11 某型機梁的套裁凸臺設(shè)置方案圖
通過制定框、梁類零件工藝凸臺方案設(shè)計標準,規(guī)范方案設(shè)計,并在后續(xù)所有項目數(shù)控加工方案中全面應用推廣,新方案已消除以前工藝凸臺方案設(shè)計混亂時期的多數(shù)缺點:
(1)工裝通用化程度得到提高,操作標準化程度得到提高,縮短了零件加工準備時間,提升了設(shè)備利用率;
(2)零件加工剛性更加穩(wěn)定,提高了零件加工合格率;
(3)減少零件材料浪費,提高零件材料利用率;
(4)縮短常規(guī)工種去除凸臺的時間和難度,減少勞動負荷,降低零件生產(chǎn)成本。
由于飛機設(shè)計結(jié)構(gòu)的日益精細化、復雜化,以框、梁類零件為主體的飛機結(jié)構(gòu)要求越來越高,需要不斷探求新的數(shù)控加工技術(shù)和方案來應對日益復雜的加工需求。
隨著柔性制造以及靈捷制造等技術(shù)的發(fā)展,框、梁類工藝凸臺設(shè)計方案還將可以繼續(xù)完善,用以提高數(shù)控加工效率、降低成本,滿足航空以及機加行業(yè)的更高端的需求。