洪斯瑋,張國強(qiáng)

（寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 福安 355000）

隨著人們生活水平的提高及亞健康人群的增加，越來越多的人選擇按摩椅進(jìn)行保健.福建閩東是中國按摩椅的核心產(chǎn)區(qū)，按摩椅渦輪箱又是按摩椅的核心部件，是渦桿、揉捏軸和敲擊軸的安裝載體.若渦輪箱的加工質(zhì)量達(dá)不到工藝要求，按摩椅易出現(xiàn)噪音、震動(dòng)及軸承損壞等問題，渦輪箱是目前按摩椅最主要的故障集中區(qū).2015 年以來，許多學(xué)者都對其進(jìn)行了研究.彭晨晨［1］對按摩椅3D 機(jī)芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了各功能機(jī)構(gòu)，同時(shí)對其運(yùn)動(dòng)學(xué)和可靠性進(jìn)行了仿真及有限元分析；王福東、王旭等［2-5］分別對葉輪、異形零件、小型整體葉盤、汽油機(jī)葉片的四軸加工工藝進(jìn)行分析、編程與多軸仿真加工；王秋蓮等［6］分別應(yīng)用響應(yīng)面法和人工蜂群算法對數(shù)控車削工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，秦洪浪等［7］研究了實(shí)時(shí)采集指令域示波器在線優(yōu)化數(shù)控銑床加工參數(shù)；劉海亮等［8］為提高汽油機(jī)活塞數(shù)控車削加工的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，提出了基于非支配排序差分進(jìn)化算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法與基于加權(quán)相對距離的決策方法.以上研究主要對按摩椅機(jī)芯結(jié)構(gòu)、四軸的加工工藝及特定數(shù)控加工工藝的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并未針對按摩椅渦輪箱的加工工藝進(jìn)行研究.渦輪箱除尺寸精度及表面質(zhì)量要求高外，幾何公差要求同樣較高，而目前閩東地區(qū)渦輪箱的加工工藝普遍采用工序分散式，即采用數(shù)控車削或三軸加工中心多次裝夾加工，工藝實(shí)施過程中存在多次定位誤差、夾緊誤差等問題，造成渦輪箱三個(gè)重要孔的中心距超差、軸線間的垂直度或平行度不達(dá)標(biāo)等問題［9-10］，產(chǎn)品合格率低，生產(chǎn)成本高，本文提出四軸數(shù)控加工技術(shù)以解決上述問題.

1 渦輪箱加工內(nèi)容分析

渦輪箱零件圖紙如圖1.通過分析零件圖紙，將影響渦輪箱質(zhì)量的重要尺寸及形位公差進(jìn)行整理，渦輪箱的主要加工內(nèi)容見表1.

表1 渦輪箱主要加工內(nèi)容

圖1 渦輪箱零件圖紙

1.1 尺寸精度

1.2 幾何精度

三個(gè)孔各自兩個(gè)軸承位的同軸度為0.008 mm 和0.012 mm，由于鋁材料裝夾易變形，因此工裝設(shè)計(jì)時(shí)一般不采用孔的外輪廓為夾緊位置，避免變形超差；孔（蝸桿）兩軸線的垂直度公差為0.025 mm，（揉捏軸）兩軸線的平行度公差為0.015 mm，這就要求最好在一次裝夾中把三個(gè)孔都加工出來，如果工藝條件不允許，則要盡量減少裝夾次數(shù)，提高二次及三次裝夾的定位精度.

1.3 表面質(zhì)量

三個(gè)孔的表面粗糙度均為1.6 μm，精加工需采用金剛石刀，并要求斷屑、排屑好，避免斷屑在加工孔內(nèi)影響表面質(zhì)量，要求冷卻條件好.

2 加工工藝比較

2.1 數(shù)控車床的加工工藝

使用沈陽CK4085 數(shù)控車床，配廣數(shù)GT980TDI 系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝特點(diǎn)，要加工該渦輪箱，需采用花盤工裝，對應(yīng)三個(gè)孔需3 副工裝，分3 道工序進(jìn)行加工.根據(jù)3 個(gè)孔的精度要求，優(yōu)先加工高精度的孔，具體工序見表2.

表2 數(shù)控車削加工工藝

2.2 三軸加工中心的加工工藝

使用南通航智VMCL850 的三軸加工中心，根據(jù)三軸加工中心的加工工藝特點(diǎn)，三孔加工需分2 道工序，設(shè)計(jì)制造2 副工裝.為提高生產(chǎn)效率，基于所用三軸加工中心的大小及零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造的工裝有10 個(gè)工位，具體工序見表3.

表3 三軸加工中心的加工工藝

2.3 四軸加工中心的三孔加工工藝

使用南通航智VMCL850 的四軸加工中心，轉(zhuǎn)軸為A 軸，根據(jù)四軸加工中心的工藝特點(diǎn)，三孔加工只需1 道工序，1 副工裝.根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)機(jī)床的大小、零件結(jié)構(gòu)和加工內(nèi)容，采用雙排對布，每排5 個(gè)，兩排共10 個(gè)，A 軸需三個(gè)方向定向加工，具體工序見表4.

表4 四軸加工工藝

2.4 三種加工工藝對比分析

主要從加工效益、加工質(zhì)量及勞動(dòng)強(qiáng)度方面對不同數(shù)控加工工藝進(jìn)行比較［11］，其中加工效率由產(chǎn)量體現(xiàn)，加工質(zhì)量由合格率體現(xiàn)，勞動(dòng)強(qiáng)度由裝夾次數(shù)體現(xiàn)，由于本次比較的不同數(shù)控加工工藝的設(shè)備使用數(shù)量相差較大，對數(shù)控技術(shù)人員要求差異高，因此將機(jī)床數(shù)、技術(shù)要求兩項(xiàng)作為對比參數(shù)進(jìn)行工藝比較.三種加工工藝比較結(jié)果見表5，其中生產(chǎn)率、合格率由福安高斯電子有限公司、福建酉合電氣有限公司、福安萬里電機(jī)有限公司及寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新公共平臺(tái)的量產(chǎn)數(shù)據(jù)得來.

表5 三種加工工藝的比較

分析表5 可知：

1）加工質(zhì)量.裝夾次數(shù)越多，垂直度和平行度兩個(gè)形位公差的要求越難保證，加上材質(zhì)本身是鑄鋁，夾緊過程容易變形，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率：數(shù)控車床＜三軸加工中心＜四軸加工中心；

2）加工效益.按當(dāng)前數(shù)控市場行情，對于相同級別的數(shù)控機(jī)床，數(shù)控車床價(jià)格≈1/3 三軸加工中心價(jià)格≈1/4 四軸加工中心的價(jià)格，工裝數(shù)比3∶2∶1，從投入的角度看三種工藝差別不大；對操作人數(shù)的需求一樣，但生產(chǎn)率方面，數(shù)控車床＜三軸加工中心＜四軸加工中心；

3）技術(shù)要求.對于開發(fā)的技術(shù)要求，數(shù)控車床＜三軸加工中心＜四軸加工中心，閩東地區(qū)對四軸加工工藝的掌握相對較為薄弱，很多公司在復(fù)雜的自動(dòng)化工裝夾具和四軸加工編程方面技術(shù)積累不足，這也是其選擇相對簡單的數(shù)控車床或三軸加工中心的主要原因.

3 四軸加工中心加工工藝流程擬定

通過對三種加工工藝的比較，在該渦輪箱的生產(chǎn)中，四軸加工中心雖然對技術(shù)要求較高，但生產(chǎn)效益好、合格率高.基于學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新公共平臺(tái)的四軸加工機(jī)床參數(shù)見表6，擬定的四軸加工工藝流程［12-14］見表7.

表6 四軸加工中心主要參數(shù)

表7 按摩椅渦輪箱加工工藝流程

續(xù)表7

設(shè)計(jì)對應(yīng)的氣動(dòng)工裝夾具，編制加工程序并實(shí)現(xiàn)該渦輪箱的量產(chǎn)，如圖2、圖3.

圖2 四軸加工工藝的生產(chǎn)應(yīng)用

圖3 采用四軸加工工藝的渦輪箱生產(chǎn)現(xiàn)場

4 結(jié)語

本研究對比了當(dāng)前渦輪箱數(shù)控加工的兩種常用加工工藝，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，提出四軸加工技術(shù)以實(shí)現(xiàn)渦輪箱的加工，并對比了三種加工工藝的生產(chǎn)效益.根據(jù)現(xiàn)有機(jī)床條件，設(shè)計(jì)了四軸加工工藝流程，按照該流程，設(shè)計(jì)了工裝夾具，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的加工工藝.從實(shí)際應(yīng)用來看，在設(shè)備投入基本相當(dāng)?shù)那闆r下，生產(chǎn)效率提高20%～33%，合格率提高30%～60%，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，生產(chǎn)效益顯著提高，為閩東地區(qū)按摩椅產(chǎn)業(yè)的渦輪箱加工提供一種解決方案.本設(shè)計(jì)加工工藝流程的實(shí)施過程，對應(yīng)四軸的自動(dòng)化工裝夾具設(shè)計(jì)與制造是實(shí)施的重要條件，將在后續(xù)研究中繼續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā).