陳祥林 王文英

(①蘇州市職業(yè)大學機電工程學院，江蘇 蘇州215104;②煙臺南山學院，山東 煙臺 265713)

陀螺儀是現(xiàn)代國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀，能夠精確確定運動物體的方位，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)、國防及其他高科技具有十分重要的戰(zhàn)略意義。高穩(wěn)定性和抗干擾性，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長時間內的導航精度是慣導系統(tǒng)對陀螺的要求。因此，必須采用適當?shù)姆庋b以確保內部線圈良好的堅固性，比如在高溫、強震、強磁場等情況下,陀螺也必須有足夠的精度才能滿足用戶的要求[1]。

如圖1是某型號陀螺儀的關鍵密封部件——環(huán)蓋，其外形是圓環(huán)的一部分，兩側凸起為加強筋，整體屬于薄壁件范疇，主要用于隔絕高溫、強磁場及強震對內部旋轉軸、轉子和內環(huán)架的影響，密封要求高。根據(jù)圖紙要求，環(huán)蓋內表面粗糙度要求達到0.8 μm，外表面1.6 μm，且內表面圓度公差在0.03 mm以內，其加工與組裝精度直接影響到密封效果。環(huán)蓋月需求約300～500件，蘇州某公司承接了該項目，但在現(xiàn)有設備基礎上通過常規(guī)加工存在一定困難。本文通過對現(xiàn)有機床、夾具、刀具等進行了分析與研究，提出了解決該問題的有效辦法。

1 環(huán)蓋加工技術分析

沖壓是利用模具在壓力機上將金屬板材制成各種板片狀工件及殼體、容器類工件，或將管件制成各種管狀工件[2]。若采用沖壓方式加工此工件，環(huán)蓋兩側的加強筋會因彎曲邊過短而不易被彎曲成形，且模具制作成本較大，小批量的工件加工會導致成本過高，因而不適合。

根據(jù)上述原因，擬采用冷切削加工的方式。環(huán)蓋的基本壁厚為2.5 mm，兩側加強筋壁厚為4.5 mm，屬于薄壁件的范疇。因薄壁工件剛性差，強度弱，在加工中極易變形，使工件的形位誤差增大，不易保證工件的加工質量，因而薄壁工件的加工是切削中比較棘手的問題。

一般影響薄壁工件加工精度的因素主要有以下3個方面[3]：

(1)易受力變形：因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。

(2)易受熱變形：因工件較薄，切削熱會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。

(3)易振動變形：在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，容易產生振動和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

若采用常規(guī)方法裝夾工件并進行切削加工，不但很難達到工件技術要求，而且費時費力。需要充分考慮工藝技術對工件加工質量的影響，有效克服薄壁工件加工過程中出現(xiàn)的變形，設計一套適合薄壁工件的專用夾具，為今后更好的加工此類工件提供好的依據(jù)。

2 環(huán)蓋加工工藝設計

2.1 加工設備選擇

該公司目前使用的主要設備是數(shù)控車床、立式加工中心(三軸)，若添置新設備將導致投入的成本大幅增加。根據(jù)環(huán)蓋工件圖及技術要求可知，環(huán)蓋內表面粗糙度要求高，因車削是連續(xù)切削，銑削是斷續(xù)切削，車削去除材料的速度高于銑削速度，且車削工件表面粗糙度和加工精度均高于銑削工件[3]，所以工件內表面擬采用車削完成，工件的加工主要在現(xiàn)有的車床與加工中心上完成。

2.2 毛坯選擇

環(huán)蓋材料為6061合金鋁,具有良好的可成型性、可焊接性、可機加工性,同時具有中等強度,是目前應用最廣泛的合金。根據(jù)市場鋁型材的規(guī)格，環(huán)蓋毛坯選用外徑φ190 mm，內徑φ168 mm，長度為240 mm的6061鋁圓環(huán)。

2.3 夾具設計

根據(jù)環(huán)蓋工件的結構，為避免影響薄壁工件加工精度，設計了如圖2所示的專用夾具，該夾具主要由夾具體、定位塊和精密平口鉗組成。

夾具體是夾具的關鍵零件，它由相連的大小兩端組成，小端被平口鉗夾緊固定，大端為外徑與環(huán)蓋內徑相同的柱體，環(huán)蓋半成品(圖2中的毛坯)套入大端并以臺階軸向定位，以兩側圓周分布的8個緊固螺釘固定。

夾具體大端側面設有與環(huán)蓋加工角度相對應的系列定位孔(此處的定位孔分布與環(huán)蓋需要加工要素相關)，定位銷插入定位孔，并以平口鉗的固定鉗口上端面為定位面，用以圓周定位。

定位塊以壓板固定于機床工作臺上(如圖3所示)，定位塊的上端弧面與環(huán)蓋外徑相同，與環(huán)蓋外徑圓弧緊密貼合，并以此作為徑向定位。

2.4 工序設計

在制定機械加工工藝方案時，必須要體現(xiàn)技術先進、保證質量、經濟合理、減輕工人勞動強度及安全可靠的原則,而工藝流程作為其骨架，在整個加工方案中起著舉足輕重的作用[4]。環(huán)蓋的加工工序如表1所示。

(1)工序1～7，利用車床對毛坯進行車削加工，同時獲得3個環(huán)蓋半成品(減少夾持部分的浪費)，如表1中對應工序后的加工圖所示。

(2)工序8～9，如圖4所示的環(huán)蓋加工實物圖，使用專用夾具裝夾環(huán)蓋半成品，并使夾具體處于初始位置(0°)，利用銑刀銑削，使之兩兩分離。

(3)工序10～12，利用定位孔調整夾具體角度為3.3°，分別利用定位鉆和鉆頭加工3個孔斜角和鉆孔。

(4)工序13～15，利用定位孔調整夾具體角度為41.8°，分別利用定位鉆和鉆頭加工2個孔斜角和鉆孔。

表1 加工工序

(5)工序16～18，利用定位孔調整夾具體角度為80.3°，分別利用定位鉆和鉆頭加工3個孔斜角和鉆孔。

(6)工序19～20，利用定位孔調整夾具體角度為83.6°，利用銑刀銑削，使之兩兩分離，完成1個環(huán)蓋加工。

(7)利用定位孔，繼續(xù)轉動夾具體，重復工序8～20，完成4個環(huán)蓋工件加工。

2.5 夾具工作原理

該專用夾具的具體工作原理如下：

(1)首先利用壓板將平口鉗安裝到加工中心工作臺，鎖緊活動鉗口夾持住夾具體小端，打表分中找到夾具體中心線坐標，根據(jù)此坐標放置定位塊(目的讓定位塊上圓弧中心線與夾具體中心線重合)，用壓板固定。

(2)松開移動鉗口，將內、外徑尺寸車削到位的環(huán)蓋毛坯套入夾具體大端，靠近臺階側面軸向定位，用8個緊固螺釘鎖緊。

(3)將安裝了環(huán)蓋毛坯的夾具體放在定位塊圓弧面上，讓環(huán)蓋毛坯外徑與定位塊圓弧面貼緊，夾具體右端大面貼近平口鉗固定鉗口側面，軸向定位。

(4)將定位銷(圓棒，可用與定位孔相應直徑廢棄的立銑刀柄端代替)插入夾具體的定位孔，轉動夾具體，讓定位銷與固定鉗口上表面接觸，圓周定位，鎖緊活動鉗口(此處平口鉗與夾具體小端雖為線接觸，但因切割力不大且作用在平口鉗固定鉗口側面，經實踐檢驗，固定可靠)。

(5)加工中心銑刀在環(huán)蓋毛坯最高處開始加工，再根據(jù)工序要求，松開活動鉗口，重復步驟3、4，調整定位銷在定位孔的位置，加工其他元素，直至全部完成(按照環(huán)蓋工件圖，可加工出4個)，完成后如圖5所示(包含夾具體)。

3 環(huán)蓋新工藝優(yōu)缺點

根據(jù)上述技術方案的運用，環(huán)蓋順利加工完成。經檢測，尺寸精度達到工件圖紙的要求。本夾具與傳統(tǒng)夾具相比具有以下優(yōu)缺點：

(1)因為環(huán)蓋緊貼夾具體，受力均勻，散熱效果好，不易發(fā)生變形。

(2)前工序采用了車削加工，內、外徑表面質量高。

(3)固定可靠，定位精確，加工精度高，相對四軸加工中心，有著較大的優(yōu)勢，減少了對高性能機床的依賴。四軸加工中心存在以下的缺點：①沿著A軸方向尺寸越長，轉臺的轉動精度及剛性對加工精度

的影響會隨之放大；②A軸轉臺依靠三爪卡盤夾緊工件，三爪卡盤使用久了，隨著卡盤的磨損三爪會出現(xiàn)喇叭口狀，三爪也會慢慢偏離A軸轉臺中心，精度難以保證[5]。

(4)一次可加工4個，提高了工作效率，其設計結構簡單實用，制作方便，而且容易操作。

(5)環(huán)蓋4個圓弧角位置，因弧面高度差異，存在細微誤差，經檢測不影響安裝精度。

4 結語

在生產中，加工工藝占有極其重要的地位[6]。根據(jù)環(huán)蓋工件的特殊結構，利用專用夾具和三軸加工中心的組合，減少了對高性能機床的依賴。制訂了適合現(xiàn)有加工設備的加工工藝，規(guī)避了薄壁件加工的弊端，不但使環(huán)蓋的加工精度得以保證，同時降低了生產成本，協(xié)助該企業(yè)取得較大的經濟效益，完成了既定的生產目標，保障了陀螺儀的品質，在同類工件加工中具有一定的推廣價值。

[1]趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊[M].上海: 上?？茖W技術出版社,2000.

[2]王光斗，王春福.機床夾具設計手冊[M].3版.上海：上海科學技術出版社，2001.

[3]陳祥林，郭秀華.減速機端蓋的加工工藝研究[J].制造技術與機床，2014(7)：131-134.

[4]吳敬,張樹偉.連桿零件加工工藝分析及鉆孔夾具設計 [J].機床與液壓,2013(6):131-132.

[5]郭秀華，陳祥林，周曲珠.提高法蘭同軸度和圓跳動的應用研究[J]. 機械傳動，2014(11)：181-183.

[6]陳祥林，郭秀華.激光切割機切割頭支架的加工工藝研究[J].組合機床與自動化加工技術，2016(10): 151-153.