一种马蹄形零件加工定位装置及其加工方法
阅读说明：本技术 一种马蹄形零件加工定位装置及其加工方法 (Horseshoe-shaped part machining and positioning device and machining method thereof ) 是由 朱天文 张旺 邵前宇 黄自祥 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种马蹄形零件加工定位装置及其加工方法,该装夹定位装置包括：夹具体,用于夹持零件,其上设有零件型腔、固定螺钉孔、定位销孔；定位销,进行零件加工时垂直设于对应的定位销孔内；夹紧组件,用于夹持待加工零件排样件；压板组件,进行夹具体与机床的固定；定位盖板,进行零件外形面加工时对零件排样件的夹持定位。本发明通过对零件合理分析,设计工装夹具,转换定位、夹紧,运用科学合理的加工方法,解决了生产中的难题,极大地提高了生产效率；优化了资源配置,降低了生产成本,确保了生产周期。(The invention discloses a horseshoe-shaped part processing and positioning device and a processing method thereof, wherein the clamping and positioning device comprises: the fixture body is used for clamping a part and is provided with a part cavity, a fixing screw hole and a positioning pin hole; the positioning pins are vertically arranged in the corresponding positioning pin holes when the parts are processed; the clamping assembly is used for clamping a part sample arrangement piece to be processed; the pressing plate assembly is used for fixing the clamp body and the machine tool; and the positioning cover plate is used for clamping and positioning the part sample arrangement piece during the processing of the outer surface of the part. According to the invention, by reasonably analyzing the parts, designing the tool clamp, converting, positioning and clamping, and applying a scientific and reasonable processing method, the problem in production is solved, and the production efficiency is greatly improved; the resource allocation is optimized, the production cost is reduced, and the production period is ensured.)
技术领域
本发明涉及一种军用装备马蹄形零件的加工方法。
背景技术
如图1所示为某型军用装备马蹄形零件，该零件属于微波零件，数量多，阵列在天线上。现有加工工艺方案采用普通铣床、线切割、油压(模具)、钳工等工艺流程，普通铣床铣削四周保证六面尺寸，线切割加工成形单边留油压余量，油压模具生产，从最初的模具设计、工艺、备料、加工、装配、试模，最终油压产品，最后钳工划线打孔。
该加工工艺存在以下缺陷：
a、线切割加工成形零件表面粗糙度不均匀，油压时容易产生局部不到位现象；
b、油压模具生产周期长且成本较高；
c、钳工手工划线打孔精度低，容易超差且效率低。
以上整体工艺流程复杂，加工效率较低，周期长，成本较高，同时涉及到整套模具生产，成本较高且周期较长，成为影响整机装配生产进度的一个瓶颈。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种工艺流程简单，生产周期短，成本较低的马蹄形零件的加工方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种马蹄形零件加工定位装置，包括：
夹具体，用于夹持零件，其上设有零件型腔；夹具体上、零件型腔的底面位置处设有固定螺钉孔；零件型腔的底面、沿零件型腔的边缘分别设有若干定位销孔；
定位销，数量与定位销孔一致；进行零件加工时垂直设于对应的定位销孔内；
夹紧组件，设有多组，每组包括压板和螺钉；进行零件加工时，压板通过螺钉固定在夹具体上；多组夹紧组件沿零件型腔周侧分布，用于夹持待加工零件排样件(以下简称零件排样件)；
压板组件，设有多组；每组包括压板、垫块和螺钉，通过螺钉将压板与机床台面夹紧连接，进行夹具体与机床的固定；垫块设于机床台面与压板之间；
定位盖板，进行零件外形面加工时对零件排样件的夹持定位，通过螺钉与固定螺钉孔固定，使得定位盖板夹持设于零件上方一侧。
本发明利用夹具体对待加工零件排样件进行定位，并利用夹紧组件进行夹持，利用压板组件将整体固定于机床上，便于加工；同时定位盖板的设计，使得在进行马蹄形零件外形面加工时，有效保持对零件排样件的夹紧，避免因外形面加工时，马蹄形零件与零件排样件边缘分离，导致夹紧组件无法有效夹持。夹具体上定位销及零件型腔的设计对待加工零件排样件进行有效定位。
本发明还提供了上述马蹄形零件的加工方法，该加工方法采用数铣加工，每次取待加工零件排样件进行多组并排设置的零件的加工，每组零件包括两个所述马蹄形零件(以下简称零件)，且两个马蹄形的U形开口相对且相互插入；
本发明加工方法包括以下步骤：
(1)装夹定位：取待加工零件排样件装夹定位于机床台面上，装夹定位通过底面或周侧完成；
(2)孔加工：中心钻定位坐标位置，对零件进行孔加工及倒角；
(3)内形面加工：铣加工各零件的内形面；
(4)外形面加工：对零件排样件于上方一侧进行夹持定位，铣加工该侧零件的外形面；换一侧进行夹持定位，并铣加工该侧零件的外形面。
本发明将原加工方法中的普通铣床、线切割、油压(模具)、钳工四道工序合并为一道，优化了工艺流程，减少了不必要的模具生产周期和成本，提高了周期性，为后续的装配、调试奠定了基础。
同时一次装夹多工位加工，保证相对位置进度，加工表面，提高生产周期。并在确保零件生产周期与精度的前提下，反复研究最终确认了—先加工零件内形面后加工外形面的加工方式，从而使得加工薄壁类精细零件成为可能。
进一步的，上述马蹄形零件加工定位装置中，夹具体的周侧设有台阶面，所述压板组件的压板一侧夹紧设于台阶面上。通过周侧台阶面的设置，方便压板进行夹紧固定。
进一步的，上述零件型腔用于放置待加工零件排样件，每次进行多组并排设置的零件的加工，每组零件包括两个所述马蹄形零件，且两个马蹄形的U形开口相对且相互插入。通过多工位装夹加工，一次即可加工多个马蹄形零件，同时节省零件排样件，使材料利用率最大化，并尽可能减少加工面，保证零件夹持稳定性。
其中，固定螺钉孔为多个，分别与单次加工零件排样件上对应的马蹄形零件的圆弧圆心相对应。方便进行固定盖板的定位固定。
进一步的，固定盖板设有多个，数量与零件排样件上待加工马蹄形零件的组数一致；固定盖板上设有螺钉让位孔，与夹具体上的固定螺钉孔相适配；固定盖板上还设有若干销钉孔，与待加工零件排样件上的待加工孔相适配；固定盖板的背面设有马蹄形凸台，与马蹄形零件的形状相适配。固定盖板通过固定螺钉孔和销钉孔进行待加工零件排样件的夹持固定。
当进行零件外形面加工时，固定盖板仅覆盖单个马蹄形零件的区域。
进一步的，零件型腔包括外型腔和位于中心的环形型腔；中心型腔和外型腔的总深度与待加工零件排样件的厚度相适配；待加工零件排样件置于中心型腔内；所述外型腔底面、中心型腔外周侧设有若干定位螺钉孔；进行零件加工时，所述夹紧组件的压板通过螺钉固定设于对应定位螺钉孔内。上述定位销孔位于中心型腔底面、待加工零件排样件的外周侧。
进一步的，定位销孔为3个，对应定位销为3个，其中2个定位销设于零件排样件前侧的垂直侧面上，另一个设于零件排样件左侧的垂直侧面上。
本发明通过零件型腔的底面设计能有效限制零件排样件的z轴移动，以及x、y轴旋转三个自由度；定位销的设置对零件排样件的y轴移动和z轴旋转、以及x轴移动进行限制。从而有效实现零件排样件在夹具体上的定位。
进一步的，零件型腔的底面中心设有落料型腔。每完成一件零件排样件的多组零件加工后，彻底清理螺纹孔和落料型腔内的铜屑。
进一步的，上述零件的加工方法中，步骤(3)中的铣加工，首先取的硬质合金铣刀粗铣零件内形面，然后取的硬质合金铣刀分半精加工、精加工分别完成各零件内形面，保证零件内形R19mm，表面粗糙度1.6。
步骤(4)中的铣加工，取的硬质合金铣刀分粗加工、半精加工、精加工分别完成各零件的外形面，保证零件外形R24mm，表面粗糙度1.6。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明通过对零件合理分析，设计工装夹具，转换定位、夹紧，运用科学合理的加工方法，解决了生产中的难题，极大地提高了生产效率；优化了资源配置，降低了生产成本，确保了生产周期，为军工生产做出了一定贡献。且通过加工实践证明了本套方案的有效可行，能保证各形位尺寸精度，在实际加工中得到了一定的成效，且对以后的一些类似零件加工也有较高推广价值。
附图说明
图1为本发明中待加工的马蹄形零件的结构示意图；
图2为图1中A-A向剖视图；
图3为本发明马蹄形零件的加工示意图；
图4为零件排样件拍样图；
图5为夹具体的结构示意图；
图6为图5中A-A向剖视图；
图7为定位误差分析图；
图8为盖板的结构示意图；
图9为图8中A-A向剖视图；
图10为圆形销钉的结构示意图；
图11为采用本发明加工方法进行马蹄形零件第一步加工定位示意图；
图12为采用本发明加工方法进行马蹄形零件第二步加工定位示意图；
图13为采用本发明加工方法进行马蹄形零件第三步加工定位示意图。
图中，1-零件，11-零件排样件，2-夹具体，21-固定螺钉孔，22-定位螺钉孔，23-外型腔，24-中心型腔，25-定位销孔，26-落料型腔，3-定位销，4-压板，5-螺钉，6-机床台面，7-刀具，8-刀柄，9-主轴，10-盖板，12-定位盖板，1001-螺钉让位孔，1002-销钉孔，1003-圆形销钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
1、马蹄形零件技术分析
如图1、图2所示为本发明待加工成型的某型装备微波零件，通过后续的加工铣削成形。对加工零件排样件特性、基本结构和精度要求分析。
1.1零件排样件特性分析
零件排样件为H62黄铜板，具有良好的机械性能，热态下塑性良好，冷态下塑性尚可，可切削性好，易焊接，耐腐蚀。
1.2零件形状分析
对零件进行分析，如图1所示，零件属于细长的U形，单件加工时装夹困难，并且在加工过程中U形开口处受到的切削力作用后产生微变形，因此零件的装夹、定位及加工过程控制是该零件铣削加工的难点。
1.3零件孔位尺寸精度分析
如图1所示，此零件主要精度要求壁厚5±0.02mm，的定位孔，孔距要求43±0.02mm，孔位尺寸要求较高，表面粗糙度为1.6。
2.零件原加工方法
原加工工艺方案主要是采用普通铣床、线切割、油压(模具)、钳工等工艺流程。普通铣床铣削四周保证六面尺寸，线切割加工成形单边留油压余量，油压模具生产，从最初的模具设计、工艺、备料、加工、装配、试模，最终油压产品，最后钳工划线打孔。具体工艺流程为：备料-热处理-普铣-线切割-油压(模具)-钳(打孔)-镀涂。主要设备线切割(中走丝)加工时间计算:所需时间＝加工截面积/(1200-1800平方毫米/小时)，零件的周长为113毫米，四个毛坯料一起加工，切割时间＝113毫米*40毫米/1800平方毫米/小时＝2.5小时，单件加工时间约为36分钟。
存在的缺点：
a、线切割加工成形零件表面粗糙度不均匀，油压时容易产生局部不到位现象
b、油压模具生产周期长且成本较高
c、钳工手工划线打孔精度低，容易超差且效率低。
3.新工艺改进方案
方案一
将线切割，油压(模具)两道工序合并为一道慢走丝工序，直接切割成型，保证粗糙度及尺寸要求。具体工艺流程为：备料-热处理-普铣-慢走丝-钳(打孔)-镀涂。将四个毛坯料一起加工，慢走丝切割时间：113毫米*40毫米/80平方毫米/分钟＝56.5分钟，单件加工时间：14分钟；单件加工费用：14/60*120元/小时＝28元。
方案二
将普铣、线切割、油压、钳工四道工序合并为一道数铣工序。尽量减少手工工作，发挥数控机床的综合加工能力(多工序集中的工艺特点)，提高加工效率。具体工艺流程为：备料-热处理-数铣-镀涂。单件加工费用：9/60*60元/小时＝9元。
表1零件加工主要设备数据分析
通过表1分析，同时结合企业现有的设备资源及生产成本，这里选用方案二的加工工艺作为本发明的加工工艺。通过数控夹具设计与制造，采用一次装夹多工位加工，保证相对位置精度，加工表面，提高生产效率。同时确保零件生产周期与精度的前提下，在制定数控工艺方案上经仔细研究、反复论证，最终制定加工方法为：在加工整体零件排样件时先加工零件内形面再加工零件理论外形面，且分粗加工、半精加工、精加工进行，使一些薄壁类精细零件的加工成为可能。
4.工装夹具设计
数控加工过程中，合理地选择定位、夹紧方式是加工的关键。合理的定位、夹紧，能够提高效率，并能保证所加工零件的尺寸精度及一致性。本发明通过设计工装夹具、分析工艺流程、合理装夹，经过一次定位两次转换加工完成了设计要求的产品。加工示意如图3所示。通过夹具体2将零件排样件夹持固定于机床台面6上。
4.1零件排样分析
零件排样图分析如图4所示，零件加工原则：使材料利用率最大化；加工过程中零件与夹具、刀具是否有干涉；尽量减少加工面，保证零件夹持稳定性。该零件排样以每份零件排样件(黄铜板)并排两组零件，每组零件为两个马蹄形零件以U形口相互插入进行排布(按照同样的排布方式，也可并排设置3组、4组或更多的零件进行同时加工)。
4.2工装夹具体分析
夹具体如图5所示，外形尺寸为260mm*200mm*45mm，材料选用45#钢，调质处理，铣削成形，磨削两平面，平行度＜0.02,后续镗孔，其强度足以满足加工要求。该夹具体的特点是根据加工设备及零件的结构设计，能够重复定位，定位精度高；加工过程中零件拆装快速便捷。夹具中心设为(X0.Y0)，可知3个定位销孔25(用于零件排样件11的定位)，四个固定螺钉孔21(用于固定盖板10的固定)及六个压板(用于夹持零件排样件11)的坐标位置。从A-A剖视图(如图6所示)分析，加工时保证型腔深度6mm(外型腔23)和4mm(中心型腔24)，4mm的型腔面与夹具底面平行度小于0.01mm，加工底面一条260mm*30mm*5mm的落料型腔26。每完成一组四个零件彻底清理螺纹孔和落料型腔内的铜销。
4.3零件排样件在夹具体上的定位
在机床上加工零件时，零件尚未定位前，都可以将其看成一个自由物体，加工之前都应满足“六点定位原理”。定位的任务就是限制工件的自由度，如何使零件在夹具中的位置完全确定，就必须将它的六个自由度全部予以限制。如图3所示，将零件排样件放入夹具体内，选取零件底面作为主要定位基准，在零件的底面上布置三个支撑点(用一个平面代替)，可限制零件的Z轴移动，以及X、Y轴旋转三个自由度；在零件前侧(y轴方向)的垂直侧面上布置两个支撑点(用两个短定位销3代替)，可限制零件的Y轴移动和Z轴旋转两个自由度；在零件左侧(x轴方向)的垂直侧面上布置一个支撑点(用一个短定位销3代替)，可限制零件的X轴移动一个自由度。
4.4定位误差的分析计算
零件在夹具定位元件上定位时，由于零件和定位元件总会有制造误差和安装误差，这将使零件在夹具中的位置在一定范围内变动，这样就会影响零件的加工精度。对于不同的定位元件，定位误差是不同的。计算定位误差时，应根据定位方式分别计算基准位移误差ΔY和基准不重合误差ΔB，然后按一定规律将它们合成，求出定位误差ΔD。
根据零件形状、夹具设计以及加工方式的分析，定位方式可以看作零件以圆柱面在角铁中定位。因零件孔径和定位盖板螺钉有制造误差，零件中心线在水平方向上和垂直方向上都将随着变动，零件的定位中心发生偏移，而产生了基准位移误差，如图7所示。基准位移水平方向与加工尺寸无关，而垂直方向与加工尺寸一致，将产生定位基准位移误差，即ΔY＝δd/2＝0.05mm/2＝0.025mm，式中δd为零件外圆公差(mm)。工序基准为零件的轴心线，此时定位基准与工序基准重合，所以加工尺寸的定位误差ΔD＝ΔY＝0.025mm，因此零件的定位误差为0.025mm。由于零件的孔距精度公差为0.04mm，尚有0.015mm可作其他误差，所以从精度要求出发，这种方案是可以采用的。
5.零件的夹紧
由于在加工过程中零件受到切削力、重力、振动、离心力、惯性力等作用，所以还应采用一定的机构，使零件在加工过程中始终保持在原先确定的位置上叫做夹紧。夹紧装置的结构形式多种多样，这里选用直接与零件接触的结构，螺钉和盖板。设计夹紧装置时，首先应依据零件的结构特点、加工要求及零件加工中受力状况等合理地确定夹紧力的方向、大小和作用点。夹紧力应保证零件在整个加工过程中不会产生位移和振动，同时以较小的作用力获得需要的加紧效果，避免零件变形和表面损伤。
5.1定位盖板分析
分析零件的形状尺寸设计定位盖板，定位盖板12由图8、9所示盖板与图10所示圆形销钉过盈配合实现，在加工过程中起定位、夹紧等作用。
5.2盖板加工
如图8、图9所示，盖板10选用45#钢，经淬火和低温回火后，磨削两平面，平行度＜0.01,线切割外形及销钉孔1002，研磨销钉孔镗孔，铣削反面马蹄形凸台厚度0.1mm，该马蹄形凸台与马蹄形零件的形状相适配，用于夹紧定位盖板的同时避免损伤零件表面。
5.3圆形销钉加工
如图10所示，圆形销钉选用45#钢，经淬火和低温回火后，磨削外圆，保证销钉使圆形销钉1003与盖板10上设置的两个销钉孔过盈配合。
6.设备切削参数设定
高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大关系，采取以下方式能够有效控制零件在加工过程中产生变形。
a、切削参数上采用高速小吃刀量
b、加工方式通过合理的程序优化，采用顺铣加工方法
c、刀柄8选用液压式刀柄，同心度比较好，易于清洁和比较小的离心力，夹紧力非常大，径向跳动精度范围：0.002-0.006mm。
d、刀具7选用直径钨钴钛类整体式硬质合金铣刀，小的刀具切削力较小，加工应力较小，切削释放热少，这样可以有效地防止零件加工变形(建议使用山特维克硬质合金铣刀)。
e、合理的切削液配制。
对此本发明进行了工艺试验,确定了加工优化参数，主轴9转速N:9000r/min,进给速度F:1600mm/min,切深ap:0.5mm。通过试验高速切削是可行的，能够保证零件的尺寸和形位公差要求。
7.零件加工步骤
7.1第一步加工定位方法
定位方法如图11：装夹黄铜板(即零件排样件)，在零件左侧的垂直侧面设定一个固定销钉(定位销3)作为零件X向定位基准，零件前侧的垂直侧面设定两个固定销钉(定位销3)作为零件Y向定位基准，按图示夹紧六个压板4(力度适中)。
加工方法：首先中心钻定位所有孔坐标位置，分粗、精加工8-φ2.05定位孔，加工12-φ2.6及φ4.5x90°沉孔；其次取φ10的硬质合金铣刀进行粗加工三维建模图中四件零件内形面；最后取φ6的硬质合金铣刀分半精加工、精加工分别完成三维建模图中四件零件内形面,保证零件内形R19mm，表面粗糙度1.6；定位孔加工程序如下：
％
O0008
G40 G17 G49 G80
T01 M06
G54G90G00X0Y0
S6000 M03
G00 X3.5 Y31.
G43 H01 Z30.
G98 G83 Z-12.R1.F150.Q0.5
G98 X17.Y29.
G98 X46.5 Y31.
G98 X60.Y29.
G98 X80.Y29.
G98 X93.5 Y31.
G98 X123.Y29.
G98 X136.5 Y31.
G80
G49 Z60.M09
G91G28 Z0.0
M05
M30
％
7.2第二步加工定位方法
定位方法如图12：加工位于排样图上侧的两件零件的外形面，定位销钉3不变；同时夹持两个定位盖板12(通过螺钉5穿过螺钉让位孔1001与夹具体上对应的固定螺钉孔21相连，参见图5)，同时使每个定位盖板12上两个圆形销钉1003与零件上孔距43mm的两处定位孔相互配合，实现零件夹紧定位(夹持力度适中)。此时，两个定位盖板12仅覆盖待加工的两件马蹄形零件，露出对应的外形面。
加工方法：取的硬质合金铣刀分粗加工、半精加工、精加工分别完成上侧两件零件的外形面，保证零件外形R24mm，表面粗糙度1.6。
7.3第三步加工定位方法
定位方法如图13：定位销钉3不变，松开螺钉5，取下定位盖板12，取出上侧两件零件，再加工两件零件位于排样图下侧的外形面，夹持两个定位盖板12(通过螺钉5穿过螺钉让位孔1001与夹具体上对应的固定螺钉孔21相连，参见图5)，同时使定位盖板12上两个圆形销钉1003与零件上孔距43mm的两处定位孔相互配合，实现零件夹紧定位(夹持力度适中)。
加工方法：取的硬质合金铣刀分粗加工、半精加工、精加工分别完成下侧的外形面，保证零件外形R24mm，表面粗糙度1.6。
8.通过实际加工得到的成效
以上加工程序与机床、刀具以及装置的相对位置均预先调整好，由数控加工中心一次完成，可满足马蹄形零件的批量生产。此件为某型军用装备天线阵列微波组件，每台装备需要零件2400件。原工艺方案加工每台套零件约需20天，严重影响了后续装配、调试以及军方交货日期。但经本发明通过辅助工装夹具的设计，加工方法的改进，工艺流程的分析，完成每台套零件周期约为8天，确保了周期，提高了效率，降低了生产成本。
表2加工工时统计
由表2可见，新的数控加工方法效率显著提高，减少了各工种之间的周转，避免了周转之间零件的磕碰，节约了时间，工作效率提高了约55％。
表3生产费用统计
由表3可见，此零件一台的生产费用，结合全年计划生产，年创经济效益约为38万元。
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