航空模鍛件數控加工用萬能工裝的研究及應用

黃小慶 呂亮 楊希

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽 618000)

傳統機械加工工裝的設計及使用理念是具有專用性的，其特點是根據產品零件特定結構形式設計對應的加工工裝。然而由于該種專用性特點也就決定了每套工裝僅能夠應用于某一種特定產品的零件加工。

通常，航空模鍛件在研制初期，為保證目標零件的力學性能、疲勞、腐蝕等關鍵性能因素滿足設計、使用要求，會對工藝、結構、參數等影響因素進行迭代優化。同樣的，在航空模鍛件的設計及試制階段，由于成型模擬所給定的關鍵特點結構不能進行精確的再現，其結構也會進行不斷的優化，一旦設計結構或者關鍵尺寸進行更改，在該階段設計、備制的專用加工工裝在實際使用過程中將會出現位置結構、尺寸結構等結構匹配問題，嚴重影響產品研發生產進度，甚至導致原設計工裝報廢。但是，由于航空模鍛件產品材料多為鈦合金，其加工難度較普通鋼材料鍛件難度大，如果不使用加工工裝，直接使用墊鐵進行加工，極易在加工過程中發生工件移動，導致撞刀、過切等情況，甚至導致產品報廢。

基于此，介紹一種在模鍛件數控加工中使用的新型工裝的研究及應用，它以通用性、廣泛性且不受產品結構制約的特點，適應模鍛件研制階段小批量、多品種、快節奏的制造要求。

1 工裝設計

鍛件加工過程中，主要通過專用工裝上的定位孔安裝定位銷對工件X、Y向自由度進行限制，并配合墊鐵、壓板對鍛件的其余自由度進行限制，同時定位銷還可以作為翻面基準，使鍛件加工過程中的不同工位加工基準一致，避免翻面時由于找正的誤差造成加工錯移，且通過定位銷可以有效提高不同工位加工時的找正效率，壓縮加工周期。

模鍛件在研制初期，為保證鍛件的各項設計參數達到使用目標，其結構常常會進行不斷調整，定位孔位置也會相應的變化。

專用工裝結構相對固定，面對經常變化的定位孔，需進行改制或重新制作才能滿足加工要求，不利于產品研發的進度的保證及成本的管控。要解決該問題，萬能工裝首先要解決的就是對應的定位孔變化問題，通過查閱相關技術資料，參考機床工作臺的設計及工件在機床上的裝夾方式[1-2]，決定采用棋盤類底板結合基準墊塊的方式進行工裝設計。

基于以上設計方案，參考現有鍛件專用工裝的加工裝夾方式，采用CATIA建模的方式對工裝各部結構進行設計，并利用CATIA裝配模塊，針對不同類型的產品進行裝配模擬，通過不同結構產品不同基準孔軸系朝向驗證萬能工裝的合理性，并通過不斷地優化改進，最終形成了以下設計方案：

1.1 工裝底板設計

工裝底板作為萬能工裝的主體結構，其強度及剛度需要滿足加工要求，故工裝底板選用抗變形能力較好的45鋼材料，毛坯選擇厚度120 mm鋼板，同時配合熱處理調質，以達到更好的力學性能。

工裝底板主要與機床工作臺進行固定，同時作為支持模塊，安裝其余部分，故選取三種常用數控加工設備VB-900、FV3224、FV4224機床工作臺尺寸設計工裝底板的外形尺寸，以上三種機床工作臺尺寸分別為860 mm×2100 mm、2200 mm×3000 mm、2200 mm×4000 mm，故工裝外形尺寸設計為700 mm×1750 mm，作為三種機床的最小結構單元，采用該外形可同時適用于以上三種機床，同時可采用多塊工裝底板組合的方式加工超過單塊工裝底板加工范圍的鍛件。

工裝底板與機床工作臺的固定裝夾結構主要參考的機床工作臺T型槽裝夾尺寸進行設計，其裝夾位置與工作臺T型槽位置一致，使用時左右利用螺栓將工裝底板與工作臺把合，側面采用壓板的方式將工裝底板固定。

基于數控加工右手坐標系X-Y-Z軸系機理，以棋盤狀縱橫交錯的結構模式設計工裝底板的T型槽體位置，T型槽參考標準T型槽及機床使用的T型槽寬度選取[2]，通用機床使用的螺栓和T型滑塊，該方式使工藝基準墊塊可以在工裝底板上任意位置進行固定；由于T型槽主要用于調節、固定基準墊塊，而基準墊塊決定定位孔位置，故對T型槽側面進行滲氮處理，以增加其耐磨性，保證T型槽在長期使用中尺寸、位置的準確性；同時，在鍛件裝夾過程中，棋盤狀縱橫交錯的T型槽在面對不同外形的鍛件的裝夾時，壓板、壓緊螺栓和滑塊可以在工裝底板上選擇任意合適位置對鍛件進行固定，使鍛件的裝夾更穩定可靠，并有效地減少了鍛件在加工過程中的輔助時間。

采用CATIA三維設計軟件對底板結構進行建模并利用其仿真模塊對底板結構進行靜力學有限元仿真分析后，確定底板設計結構的強度及剛度滿足鍛件加工要求。底板結構及安裝示意如圖1所示。

圖1 工裝底板結構設計與安裝

1.2 工藝基準墊塊

通常，航空模鍛件在設計時，為保證后續加工質量，一般會在工藝凸臺位置設計2個或2個以上的定位基準孔，以達到限制工件在加工時的X、Y向自由度，同時該定位孔也可以作為加工翻面及各加工工序的加工基準，確保各工位的坐標零點及各工序加工基準一致?；鶞士滓话阍O計在同一直線上，為適應鍛件研發初期可能變化的定位孔孔距，使工裝具有通用性，選擇以十字中心鍵配合矩形鍵的定位方式，在工裝底板棋盤槽內實現可移動調節基準墊塊間距的模式，達到定位基準孔間距可控、可調的目標。

1.2.1 十字中心鍵墊塊及使用方法

航空模鍛件一般具有較為復雜的結構，其加工通常采用數控加工的方式，在工藝準備階段，采用CATIA或其他編程軟件編制程序時，為確保加工質量，各工位及各工序的編程零點一般會設置在同一個基準孔，該基準孔的位置就成為整個加工過程的基準零點，故作為編程及加工的定位基準，十字中心鍵墊塊需要在底板上進行絕對的固定?；谝陨弦蛩?，設計出的十字中心鍵墊塊結構設計及使用方法如下：

1)采用圓錐、圓柱結構，在有效提高墊塊整體支撐剛性的同時降低墊塊重量。

2)底部設計十字中心鍵，與底板T型棋盤十字槽口進行過渡配合，實現墊塊在工裝底板上位置的絕對固定。同時對其底部十字鍵進行滲氮處理，加強其耐磨性，降低因磨損而造成后期加工定位不準確風險，提高其使用壽命。

3)設計基準中心孔，過渡配合裝配圓柱銷，對所加工產品進行基準孔零點絕對固定，同時可采用不同的圓柱銷或階梯銷實現對不同大小定位孔的裝夾[3]。

十字中心鍵墊塊結構如圖2所示。

圖2 十字中心鍵墊塊

1.2.2 調節墊塊結構設計及使用方法

采用可移動的調節墊塊與十字中心鍵墊塊配合，以實現定位孔中心距可調的目的，同時限制其在機床坐標Y向的自由度，其結構設計及使用方法如下：

1)采用圓錐、圓柱結構，有效提高整體支撐剛性的同時降低墊塊重量。

2)底部設計矩形鍵，與底板T型槽口進行過渡配合，實現Y軸相對固定，限制其Y向自由度，同時由于其矩形鍵可沿機床X向進行滑動，實現X軸方向基準孔距可調的目標。同十字中心鍵一樣，對矩形鍵做滲氮處理，加強其耐磨性，降低因磨損而造成后期加工定位不準確風險，提高其使用壽命。

3)頂部設計基準中心孔，過渡配合裝配菱銷，對所加工產品進行固定。

4)在墊塊支撐面設計腰型通槽口，實現輔助裝夾，提高裝夾穩定性。

調節墊塊結構如圖3所示。

圖3 矩形鍵墊塊

1.3 工裝實物

萬能工裝經設計、仿真和裝配驗證后，投入并完成實際制作，經千分表臨床精度檢測，工裝底板X、Y向T型槽平行度精度0.02 mm、上、下面平面度0.03 mm、上、下面平行度0.05 mm，滿足加工使用要求，實物如圖4所示。

圖4 工裝檢測及實物

2 現場實際使用

為驗證萬能工裝的適用性及可靠性，選取某滑軌進行加工驗證。以該滑軌為典型半精加工零件，該產品截面尺寸約1500 mm×270 mm×145 mm，目前為國產某型號飛行器零件產品中最大的滑軌類產品，根據滑軌產品結構尺寸，選擇數控龍門銑進行半精加工序，該滑軌粗加工工藝路線設計為：劃線→加工基準面/孔→工位一加工→工位二加工。

2.1 工裝安裝

為提高加工效率，工裝可按加工工位的數量搭配多塊工裝底板使用，提前安裝好各工位的加工工裝。以滑軌為例，其加工主要有兩個工位，且其外形尺寸在單塊工裝加工范圍內，故選用兩塊工裝底板進行裝配，詳細安裝過程如下：

2.1.1 底板安裝

首先將底板與機床平臺進行裝配，且底板槽口與機床平臺槽口對齊，用螺釘固定；底板寬度方向壓板槽口，利用壓板壓緊(根據實際情況可選擇使用)。

2.1.2 基準墊塊、調節墊塊裝配

根據該滑軌半精加工圖紙，明確待加工產品基準孔孔距為1340 mm±0.2 mm，以此為依據安裝基準墊塊：

1)清理干凈工裝底板、基準墊塊配合面，確保安裝尺寸的準確性；

2)參照工裝總長及鍛件外形尺寸，確定基準墊塊在工裝底板上的安裝位置；

3)安裝十字中心鍵墊塊，并以螺釘鎖緊；

4)安裝調節墊塊，通過機床百分表校正兩墊塊定位銷孔的距離，保證十字中心鍵墊塊基準孔與調節墊塊基準孔間距為1340 mm±0.1 mm，并用輔助螺釘鎖緊。

工裝安裝如圖5所示。

圖5 工裝安裝

注：兩塊工裝安裝流程一致，墊塊位置根據不同工位定位孔位置確定。

2.1.3 待加工產品上工裝前準備

待加工產品上工裝前，首先通過劃線，確定各部位余量后，粗定定位孔位置、并劃X向及水平向找正基準，鍛件上機床(不使用工裝)后，按線墊平、找正裝夾，驗證上、下面余量后，銑工藝凸臺上、下表面，見光即可，同時按圖紙要求鉆、鉸定位孔。此時定位孔大小可根據實際情況及工裝基準墊塊定位孔大小進行加工，其余部位加工符圖后，再將定位孔大小加工至圖紙尺寸。

2.1.4 待加工產品安裝

待加工產品帶定位孔的工藝凸臺以基準墊塊支撐，其余工藝凸臺以等高墊鐵進行支撐，同時在十字基準墊塊上使用定位銷限制鍛件X、Y向基準自由度，可調節墊塊上使用菱銷限制鍛件Y向自由度，最后全部工藝凸臺以螺栓及壓板固定，限制其余自由度，見圖6。

圖6 滑軌裝夾

2.1.5 產品加工

產品安裝完成后，即可按工藝路線要求加工鍛件

1)按工藝及程序單要求調用程序粗、精加工第一個工位所有尺寸；

2)加工完成后翻面，將產品按上述安裝方式安裝至第二個工位的工裝上，以定位銷定位，確保兩個工位的加工零點一致，并按工藝及程序單要求調用程序粗、精加工第二個工位所有尺寸。

2.1.6 產品檢驗

最終，歷時70 h，該滑軌使用萬能工裝順利完成加工，加工過程中，未發現鍛件存在移動等影響加工質量的問題，經三坐標檢測，零件結構尺寸精度、幾何結構精度完全滿足圖紙設計要求，首件加工驗證合格，該鍛件已成功交付用戶，工裝結構及其強度、剛度得到初步驗證，加工過程及檢驗如圖7所示。

圖7 滑軌加工及檢驗

2.2 通用性及可靠性驗證

首次加工驗證完成后，按同樣的方式，對不同種類、不同規格的鍛件使用萬能工裝進行半精加工。通過檢測，所加工的產品皆符合圖紙要求，加工過程質量受控，工裝的通用性及可靠性得到了驗證。

2.3 推廣應用-組合加工

上述加工的產品外形結構尺寸均在工裝底板結構尺寸范圍內，由于該工裝使用模塊化設計，采用組合使用的方式可推廣應用至超過單塊工裝底板加工范圍的鍛件加工中。對于工裝的組合使用，僅做文字說明，使用方式如下：

1)按鍛件外形尺寸及圖紙要求的定位孔尺寸、數量及位置，選擇使用工裝底板的數量；

2)選擇2塊或2塊以上工裝底板配合使用，以基準孔間距確定工裝底板在機床工作臺上的位置；

3)按基準孔間距分別將十字中心鍵墊塊及調節墊塊安裝于兩塊或多塊工裝底板上；

4)以常規輔具等高墊鐵支撐鍛件其余工藝凸臺，同時配合壓板及螺栓壓緊鍛件。

后續鍛件安裝方式和使用單塊工裝底板一致，不再做描述。

3 結束語

針對航空模鍛件小批量、多品種、快節奏的科研生產要求所帶來的專用加工工裝費用高、周期長、存放難的難題，通過設計適應不同種類、不同結構鍛件加工需求的萬能工裝，經過實際使用，成功完成了多批次、多種類鍛件的加工任務，驗證了該工裝的適用性、可靠性及該類工裝設計的可行性，對其它領域類似鍛件科研生產及常規鍛件加工工裝設計有很好的借鑒意義。