0 引言

由于某德國(guó)某大型立式加工中心的國(guó)產(chǎn)化工作中出現(xiàn)缺少輔助工裝的問(wèn)題，導(dǎo)致裝配精度和裝配效率降低。但國(guó)內(nèi)公司又缺乏有關(guān)的裝配經(jīng)驗(yàn)和一系列的輔助工裝。因此，本團(tuán)隊(duì)針對(duì)該型號(hào)立式加工中心的滑座部件進(jìn)行設(shè)計(jì)輔助工裝，使用Solidworks軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)輔助裝配工裝方案，在與公司負(fù)責(zé)該國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目裝配工作的ME就滑座裝配工裝的需求等相關(guān)事宜進(jìn)行充分的溝通后，并參照工廠內(nèi)相同類型工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從性能要求、制作成本、安全系數(shù)、適用性等多個(gè)角度全面考慮最終設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的滑座裝配工裝。

1 對(duì)現(xiàn)存輔助工裝的分析

就立式加工中心裝配方式來(lái)說(shuō)明裝配工裝在裝配中的功能作用。大型立式加工中心的裝配是由滑座、主軸箱和立柱等部分分別裝配，最后再組裝到一起。而在各個(gè)部分的裝配過(guò)程中，裝配輔助工裝的作用就十分重要。它起到對(duì)裝配部件的固定支撐，防滑和便于人工裝配的作用。

在構(gòu)思設(shè)計(jì)方案之前，參照公司內(nèi)現(xiàn)存的某中型機(jī)床的立柱輔助裝配工裝——機(jī)加工焊接成型的工裝。經(jīng)過(guò)對(duì)此工裝的觀察、分析以及向?qū)I(yè)人員請(qǐng)教，了解到此工裝的功能為支撐和固定立柱來(lái)輔助主軸頭的安裝。而工裝的尺寸是依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》所設(shè)計(jì)。

結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》與《機(jī)械工程材料》對(duì)此工裝進(jìn)一步分析，此工裝所使用的是Q235-A材料8號(hào)槽鋼和10號(hào)槽鋼，最底部?jī)筛?hào)方管的價(jià)格偏貴，而且頂部墊塊和筋板部分的設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，給加工帶來(lái)不必要的步驟。就此工裝作為參考，從性能要求、制作成本、安全系數(shù)、適用性等多個(gè)角度全面考慮最終設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)滑座裝配工裝。

2 滑座工裝的設(shè)計(jì)思路

為此所設(shè)計(jì)的工裝主要是對(duì)于某大型立式加工中心的滑座部分。其功能是為滑座提供一個(gè)水平支撐面，并且具有固定滑座，利于人工進(jìn)行裝配的作用。

基于已有的立柱裝配工裝，首先根據(jù)滑座的圖紙，確定工裝上的固定螺紋孔的尺寸距離，確保工裝的螺紋孔位置分布與滑座的螺紋孔位置分布保持一致，從而可以確保滑座可以安裝固定到工裝上。完成了固定滑座功能的設(shè)計(jì)后，接下來(lái)是滑座工裝的承重設(shè)計(jì)——635kg。經(jīng)過(guò)對(duì)此工裝的承重受力分析，工裝材料采用Q235-A的12號(hào)和14號(hào)槽鋼并且采用全周焊的焊接方法。

3 工裝的設(shè)計(jì)要求

3.1 需求方面的設(shè)計(jì)

在滑座裝配這道工序中，在無(wú)滑座的水平支撐工裝情況下，導(dǎo)致裝配誤差較大無(wú)法及時(shí)進(jìn)入下一道工序，影響生產(chǎn)效率。且不同型號(hào)的立式加工中心的部件尺寸不同，所以就需要設(shè)計(jì)不同尺寸與需求的工裝來(lái)固定部件和便于裝配工作。而設(shè)計(jì)此工裝的需求是，為某大型立式加工中心的滑座部分提供水平支撐，并且具有固定滑座和利于裝配的作用。

3.2 功能方面的設(shè)計(jì)

對(duì)于滑座部分的工裝來(lái)說(shuō)，工裝最重要的就是能否與滑座部件實(shí)現(xiàn)正確的安裝和起到固定作用。對(duì)此，我們通過(guò)公司提供的滑座圖紙，確定滑座底部的固定螺紋孔分布位置，以此設(shè)計(jì)工裝的墊塊的螺紋孔位置，以此確保滑座能安裝到工裝上。然后是對(duì)墊塊與工裝連接部分的筋板部分的設(shè)計(jì)。以往的墊塊連接部分過(guò)于繁瑣，不利于滑座與工裝的連接。為此簡(jiǎn)化了工裝的墊片筋板部分，大大簡(jiǎn)化了人工安裝滑座與工裝的步驟。

3.3 安全性和承重性能方面的設(shè)計(jì)

工裝主要起支撐和固定滑座的作用，所以對(duì)于工裝的安全性和承重性能的設(shè)計(jì)也尤為重要。

由于此大型立式加工中心比中型立式加工中心的滑座部件要重，且該工裝的工作狀為靜態(tài)承重，因此選擇Q235-A的12號(hào)和14號(hào)槽鋼作為工裝的主體承重部分。并且工裝與滑座連接采用螺紋孔固定的方式，以此保證滑座在裝配工作中不會(huì)出現(xiàn)偏移甚至滑落。

其次，對(duì)于工裝底部的支撐部分，已有的工裝方案均采用兩根10號(hào)方管進(jìn)行受力支撐。由于10號(hào)方管的價(jià)格昂貴且應(yīng)現(xiàn)在生產(chǎn)需求，降低該工裝的制造成本，經(jīng)過(guò)一系列的力學(xué)分析，最終該工裝底部的方管替換成2根14a槽鋼。經(jīng)過(guò)Solidworks simulation對(duì)這2根14a槽鋼的承重性能做力學(xué)的有限元分析，再結(jié)合《工程力學(xué)》分析。結(jié)果表示，這2根14a槽鋼的承重性能可以滿足對(duì)此滑座的承重。

對(duì)于該工裝受力情況分析說(shuō)明工裝最大可承受4.18×10MPa的壓力（見(jiàn)圖1），而圖中承重能力最弱的支腳部分也可承1.25×10MPa的壓力。綜合數(shù)據(jù)表明。設(shè)計(jì)的滑座工裝對(duì)于承受具有635kg的滑座部件是有過(guò)之而無(wú)不及。

圖1 應(yīng)力分析

對(duì)于該工裝受力時(shí)的形變分析結(jié)果表明（見(jiàn)圖2），該工裝的最大形變出現(xiàn)在工裝與滑座部件接觸的墊塊處，且最大形變量為2.446×10mm。最小的形變量為1×10mm，出現(xiàn)在工裝的底部四個(gè)支腳。這些數(shù)據(jù)綜合表明，該滑座工裝完全可以承受635kg的滑座部件，且形變量在合理的范圍內(nèi)。

圖2 形變分析

3.4 勞保方面的設(shè)計(jì)

該工裝是針對(duì)滑座部件所設(shè)計(jì)的，在實(shí)際生產(chǎn)使用中工人需要對(duì)滑座部分進(jìn)行裝配其他部件。所以在設(shè)計(jì)工裝時(shí)，對(duì)生產(chǎn)的便利性也有重視。生產(chǎn)便利這一方面，對(duì)產(chǎn)線工人進(jìn)行走訪調(diào)查。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在裝配滑座部件時(shí)，大多數(shù)時(shí)間工人都處于站立狀態(tài)完成滑座的裝配工作，因此，工裝的高度要求就十分重要。如果工裝設(shè)計(jì)的高度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致滑座安裝高度過(guò)高，從而對(duì)滑座安裝和后期裝配過(guò)程產(chǎn)生許多不便。如果工裝設(shè)計(jì)的高度過(guò)低，也會(huì)出因滑座安裝位置過(guò)低，使工人在安裝和后期對(duì)滑座裝配過(guò)程中需要長(zhǎng)期彎腰工作，這對(duì)工人的身體健康是一種十分大的損害。于是就滑座安裝高度問(wèn)題，向產(chǎn)線工人進(jìn)行了一次調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，滑座安裝后高度在80cm至90cm中間比較適合站立完成裝配任務(wù)。在此高度下，工人裝配滑座出現(xiàn)需要鎖緊螺絲時(shí)，這個(gè)高度有利于發(fā)力；對(duì)于需要人工手動(dòng)裝配較重的部件如電機(jī)，絲桿等時(shí)，這個(gè)高度也有利于人工完成裝配。綜上，在實(shí)際生產(chǎn)中合理的滑座工裝高度，有利于提高生產(chǎn)效率和減少工人的身體健康損害。

3.5 制作成本方面的設(shè)計(jì)

在滿足以上設(shè)計(jì)需求的前提下，對(duì)此進(jìn)行工裝制作成本方面的設(shè)計(jì)。

對(duì)于工裝的底部支撐部分，改變已有的方管支撐方案（見(jiàn)圖3），采用2根14a槽鋼（見(jiàn)圖4）。在成本方面，10號(hào)方管的制造成本遠(yuǎn)高于槽鋼。經(jīng)過(guò)向有關(guān)供應(yīng)商的咨詢，14a槽鋼比10號(hào)方管便宜兩百元左右，最后根據(jù)具體材料報(bào)價(jià)計(jì)算得到，采用14a槽鋼代替10號(hào)方管方案，單從材料采購(gòu)成本方面可節(jié)約34%。在受力支撐方面，對(duì)槽鋼方案使用Solidworks simulation力學(xué)分析，分析結(jié)果表明2根14a槽鋼的承重性能可以滿足對(duì)此滑座的承重。因此，最終采用制作成本更為便宜的槽鋼作為工裝的支撐。

圖3 方管支撐工裝

圖4 改良后工字鋼支撐

對(duì)于工裝與滑座接觸的支撐部分，改變已有的AL 7075墊塊（見(jiàn)圖5），采用四個(gè)KF100F M16×150水平支腳焊接在框架墊片方案（見(jiàn)圖6）。地腳和AL7075墊塊的制造材料硬度均低于滑座的鑄鐵，不會(huì)損壞滑座的安裝面，水平支腳在功能方面與AL 7075墊塊相同且受力分析滿足要求。但是AL 7075墊塊屬于非標(biāo)件，需要聯(lián)系廠商定制，定制AL7075墊塊成本在一百元以上。而KF100F M16×150支腳屬于標(biāo)件，根據(jù)某工業(yè)商城的官網(wǎng)報(bào)價(jià)，單個(gè)地腳KF100F M16×150采購(gòu)價(jià)在67元，地腳的成本遠(yuǎn)低于定制化的AL 7075墊塊。在采用標(biāo)件的地腳方案下，對(duì)比AL7075定制墊塊在成本方面節(jié)約20%，因此，最終采用水平支腳的方案。

圖5 A7075墊片

圖6 水平支腳

經(jīng)過(guò)對(duì)該工裝的支撐方管和墊塊兩個(gè)部分的重新設(shè)計(jì)，從改變支撐材料和將非標(biāo)件替換為標(biāo)件的地腳，節(jié)約了工裝制造的材料成本。

4 工裝設(shè)計(jì)使用展示

針對(duì)德國(guó)某大型立式加工中心的滑座裝配需求所設(shè)計(jì)的該工裝，經(jīng)過(guò)供應(yīng)商制造完成后，已經(jīng)在公司投入正常的生產(chǎn)使用（見(jiàn)圖7和圖8），對(duì)比其他機(jī)型的立式加工中心的輔助支撐工裝，本團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出了滿足性能要求、安全系數(shù)、適用性和降低制造成本等要求的立式加工中心滑座裝配工裝。此滑座工裝的設(shè)計(jì)對(duì)該德國(guó)某大型立式加工中心的國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)化做出了貢獻(xiàn)，也填補(bǔ)了公司對(duì)自主設(shè)計(jì)工裝的空白。

圖7 工裝地腳使用效果

圖8 工裝槽鋼支撐