薄壁设计

薄壁设计（共11篇）

薄壁设计 篇1

如何保证薄壁套筒类零件的加工精度一直是行业内的难题, 由于薄壁类零件壁厚一般小于2.5mm, 当进行内孔夹紧外圆车削时, 在夹紧力的作用下外圆容易产生变形, 从而影响尺寸加工精度, 工件尺寸公差不易保证, 另外由于夹具的夹持力而引起的工件变形不能消除, 当加工完成夹持力释放后, 工件又回复到原来的形状, 造成圆度、圆柱度超差, 往往达不到图纸要求, 这种现象在机械加工中被称为“复原现象”。本新型液压薄壁夹紧夹具既消除了机械式内撑类夹具造成的花瓣状形状误差, 又避免了夹具夹紧力较大、局部应力较大, 造成所加工后的工件外圆尺寸变化较大的现象, 对提高工件的精度有较大的帮助。

1 常用内孔夹紧夹具优缺点分析

1.1 单锥内撑夹具

单锥内撑夹具 (图1) 一般用于半精加工。如图1所示, 在锥体1外有一与锥体配合的五片撑套2, 当撑套2受中心拉杆3受力向左运动时, 撑套2沿锥体1锥面向上向左运动, 当撑套2外圆面与工件4内圆面接触后撑套受所加工工件的反作用力停止运动实现夹紧。单锥内撑工装存在如下缺点:1, 轴向定位精度较差, 由于撑套在夹紧时要沿轴向运动, 所以必然带动工件向左运动, 影响工件的轴向定位精度;2, 工件变形较大, 所加工件的内孔直径与撑套的外圆直径不可能绝对一致, 这样工件在夹紧时和撑套和工件必然呈线接触, 在接触应力较大的部位工件变形较大;3, 撑套在工作过程中, 撑套表面的缝隙及撑套与本体之间容易进入加工铁屑, 这必然影响加工件的同轴度公差, 另外为了降低撑套制造误差, 我们一班来说在撑套安装到机床后还要在机床上自车外圆面, 以提高夹具精度, 同时为了防止撑套和本体之间相对转动, 我们还要设计一个键, 一是传递切削时的扭矩, 二是保证撑套自车时带来的型位误差。

1.锥体;2.撑套;3.拉杆;4.工件

1.2 塑料夹具

塑料夹具 (图2) 就是在一弹性薄壁套内充入液性塑料, 塑料受压时把压力均匀的传递到薄壁弹性套, 通过弹性套的弹性变形来实现工件的夹紧。如图2所示, 当推塞1在夹紧油缸的推动下向右运动时, 液性塑料把压力传递到薄壁套3, 薄壁套受压产生弹性径向变形来夹紧工件4。塑料夹具存在如下优缺点:1, 液性塑料的流动性及弹性受熬制人员水平及温度影响较大, 从而影响夹具的使用;2, 液性塑料使用所需压力较大, 一般液性塑料受大于20MPa的压力时才能实现正常夹紧;3, 薄壁套壁厚较厚, 涨起时表面呈鼓型, 由于薄壁套必须保证一定的厚度才能实现塑料自然回缩, 为了使薄壁弹性套及时回缩, 我们我们不得不增加薄壁弹性套的厚度, 但这又加剧了薄壁套涨起不均的缺点;3, 对上道工序的内孔尺寸要求较严, 如果上到工序内孔尺寸变差较大, 那么塑料夹具薄壁套对工件的夹紧力将变化较大, 工件受夹紧力的变形也较大, 影响加工精度;4, 轴向定位很好, 不会发生轴向位移, 适合壁厚较厚的工件。

1.推塞;2.本体;3.薄壁套;4.工件

2 薄壁套液压夹紧夹具

薄壁套液压夹紧夹具 (图3) 是在极薄薄壁套3与本体2之间充入液压油, 利用液压油流动性好、薄壁套回弹性好的优点, 实现在工件整个内孔均衡夹紧, 所需夹紧力小, 工件夹紧变形小, 加工精度高。如图3所示在本体2的外圆表面设计有优化后的液压油流动沟槽, 当推塞1推动腔内的液压油时, 极薄薄壁套3发生弹性变形, 膨胀后夹紧工件4, 松开时在薄壁套自身弹力作用下迅速回缩, 松开工件。

2.1 薄壁套弹性变形理论分析

液性塑料夹具是精加工外圆普遍使用的夹具, 定心精度高, 但是熬制和填充塑料费时费工, 夹紧面膨胀呈鼓型, 夹紧面积小, 夹紧力大工件变形大, 一直是我们需要解决的问题。在塑料夹具发展的基础上我们进行过许多尝试, 如在液性塑料腔里填充钢珠代替塑料, 虽然能够实现夹紧但回缩不好;我们也尝试过在塑料腔里充液压油, 但是由于膨胀所需压力较大, 漏油问题不能解决而失败。我们设计的油压薄壁套通过有限元模拟分析, 通过设计薄壁套壁厚在一定范围内, 既能保证夹紧时工作压力不高于1.5MPa、避免漏油, 又能保证薄壁套材料膨胀在屈服强度之内。薄壁套材料选用弹性较好的Mn60材质, 材料屈服强度σS=410MPa。我们根据实际夹紧时所需涨量0.05-0.08mm、油压压力1.0-1.5MPa倒推薄壁套壁厚, 经过计算材料壁厚在0.4-0.7mm之间, 材料等效应力在90-150MPa之间。图4、图5是60Mn材质、壁厚0.5mm、1.0MPa时的等效应力图形。应力分析结果我们可知在1.0MPa压力下材料等效应力为110MPa, 薄壁套变形为0.034mm, 直径方向涨大0.068mm。由等效应力图我们可知在整个夹紧长度内薄壁套均匀膨胀。

1.推塞;2.本体;3.薄壁套;4.工件

2.2 薄壁套液压夹紧夹具优缺点分析

薄壁液压夹紧夹具吸取了塑料夹具的优点——定心精度高, 同时通过降低薄壁套壁厚实现液压油夹紧, 能在工件整个夹紧长度内实现均衡夹紧, 工件加工精度高。薄壁套液压夹紧夹具有如下优缺点:1, 夹紧面积大, 夹紧力均匀, 所需夹紧力很小, 影响工件的变形很小, 能够很好的提高工件加工精度;2, 薄壁套非常薄, 这样在整个工件内孔长度内能够实现均衡夹紧, 能有效提高工件加工后的直线度;3, 由于工件能够在内孔整个长度内夹紧即提高了摩擦表面积, 所以能够有效降低夹紧压力, 使工件在加工过程的变形很小, 提高加工精度;4, 在薄壁套和本体接触部分的本体上设计特殊的螺旋结构, 使支撑定位面积和膨胀夹紧面积实现最优化;5, 由于使用液压油来做压力的传导体, 油的流动性非常好, 松开时薄壁套自身弹力能够使薄壁套回缩到原始状态;6, 实用于大批量生产, 由于薄壁套太薄, 所以薄壁套在装配前必须留一定的自车余量, 夹具需安装后自车到设计尺寸。

2.3 薄壁套液压夹紧夹具加工注意事项

薄壁液压夹紧夹具是在塑料夹具的基础上改进发展而来的, 它吸取了塑料夹具薄壁套壁较厚、所需涨缩压力较大、涨缩不均匀的现象, 但是由于对薄壁套的壁厚有较高要求, 增加了加工难度, 设计时要注意以下事项:1, 薄壁套内孔最好在珩磨机上珩磨到设计尺寸, 同时要保证内孔的圆柱度;2, 由于薄壁套壁厚较薄, 所以在装配前要留一定的自车余量;3, 必须考虑到液压油一但渗漏如何不取本体补充液压油;4, 由于定位和夹紧没有分开, 设计时要考虑支撑面积和夹紧面积的优化分配。

3 结语

本文通过对目前通用的内孔夹紧夹具优缺点进行分析, 提出了一种新型的液压夹紧方式, 并对液压夹紧薄壁套进行了理论和模拟分析计算, 通过实践证明此夹具不仅能降低工件的加工时变形还能够有效提高工件的加工后的形状精度, 特别适合于薄壁类零件的加工。

薄壁设计 篇2

基于鲁棒性的概率优化设计在薄壁构件耐撞性中的应用

汽车结构的耐撞性及碰撞吸能优化是现代汽车工业重要的研究内容.耐撞性的优化涉及材料与结构的众多参数,传统的确定性优化设计、碰撞仿真及实验往往只能在一定程度上改善结构的碰撞性能,而无法评估设计参数的可靠性和目标函数的鲁棒性,以及在给定可靠性约束条件下使目标函数的.鲁棒性达到最优状态.将实验设计、响应面模型和蒙特卡罗模拟技术相结合,构造了基于产品质量工程的6σ鲁棒性优化设计方法,实现了对设计目标的优化,并提高了设计变量的可靠性和目标函数的鲁棒性.

作 者：孙光永 李光耀 张勇 钟志华 Sun Guangyong Li Guangyao Zhang Yong Zhong Zhihua  作者单位：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082 刊 名：中国机械工程  ISTIC PKU英文刊名：CHINA MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 18(4) 分类号：O34 U467.14 关键词：实验设计   响应表面法   6σ鲁棒性优化   碰撞模拟  

薄壁铝型材挤压模具设计和维护 篇3

关键词：铝型材；挤压模具；设计

1 挤压模具介绍

挤压模具结构设计和制造环节较多，包括选材、设计、制造、修模等环节，其成本占到型材挤压生产成本的35%左右。在型材加工生产中，一般有两种主要挤压方法：分流组合模挤压法和穿孔针挤压法。前者加工起来简单且成本较低，后者成本高且应用范围较小，在实际型材加工生产中，分流组合模应用更为广泛。

1.1 挤压模具的工作条件。对于大截面复杂型材的挤压成形，挤压难度比较大，对挤压模具的结构与形状要求也很高，特别是对于这种断面形状较复杂，壁厚相差悬殊，断面面积及外接圆大，多腔空心等型材，挤压模具的工作条件变得更加恶劣。因此，对挤压模具要求较高，主要有如下几个方面：一是高温高压条件下工作；二是要具有较好的抗磨损能力；三是具有很高的强度和韧性，避免在工作中出现应力集中而使模具破坏。

1.2 挤压模具的分类。挤压模具种类很多，根据不同的分类条件可以进行归类。分类的主要依据有模具结构和模孔压缩区断面外形。分流组合模在目前是应用最为广泛的一种模具形式，平面分流组合模的组成结构主要包括上模、下模、定位销和联结螺钉四个部分，其工作原理是在一定的挤压力作用下，锅淀通过分流孔被分流成金属流，流经焊合室进行汇集和傅合，最终由模芯和模孔流出，形成具有所要求几何形状的型材产品。

1.3 模具的设计步骤。实际生产中，产品类型、工艺方法、设备和模具结构都是影响模具设计过程的重要因素。但是在设计过程中，挤压模具模腔的设计一般按照以下步骤进行：

1.3.1 模腔参数确定和模孔布置。模腔参数的确定主要根据挤压机、工艺规程和现场工具设备来确定。模孔布置合理与否直接影响着模具强度，同时影响金属流动的均匀性。一般在设计过程中，即使非对称的型材也要尽量保证模孔的对称性，同时使其尽量接近中心紧凑一些。通常情况下，模孔多设置在同心圆上（模孔之间的间距大于30-50mm，模孔距离模具边缘大于25-50mm，模孔与挤压筒边缘的距离大于20-40mm）。

1.3.2 设计模孔尺寸。在计算模孔尺寸时，应该考虑各种因素。一般采用下列公式来计算模孔尺寸：A=A0+M+（KY+KP+KT）A0

其中A0、M、KY、KP、KT分别表示型材的工程尺寸、允许偏差、拉力作用而使型材部分尺寸减少的系数、拉伸矫直时尺寸缩减系数和管材的热收缩量。在设计过程中公式只是一个参考，还需要综合考虑模具弹塑性变形、弯曲变形等因素。

1.3.3 调整金属流动速度。合理的金属材料流动速度是指同一截面上的材料质点流出模孔的速度一致。为了达到金属流动速度合理调整的目标，不仅要增加分流孔数目，尽量对称排列，而且在确定工作带长度时，还要综合考虑壁厚差异及其与挤压筒中心的距离。在生产过程中，还可以通过调整阻流块、促流角或者分流孔的外形和数目来达到调控型材挤出断面上速度均匀性的目的。

2 分流组合模的设计

分流组合模由上、下模组合而成。其中，上模有分流孔、分流桥及模芯，下模有焊合室和型孔，在模芯与型孔上均设有工作带。对于分流组合模，制品的焊缝数与金属流的股数相同。所以分流模只适应于如铅、镁、锌及其合金等高温焊合性能好的金属，而不适合硬铝等焊合性能不好的金属。

2.1 分流比K的选择。分流孔的面积与制品面积的比称为分流比，用K表示。对于型材挤压过程而言，K值越大越有利于金属流动和焊合及减小挤压力，所以在模具强度允许的范围内，要尽量选取较大的尺值。对于空心型材，取k=10-30；而对于管材，取K=5-15。

2.2 分流孔的确定。需要确定的分流孔参数主要包括分流孔形状、数目、截面尺寸及分布。形状有圆形、腰子形和异形，对管材或简单断面型材一般取圆形，对复杂型材多采用异形。通常，可通过减少分流孔数目同时增大分流孔面积来减少焊合缝的数量和降低挤压力。对于分流孔的数目，一般有二孔、三孔及四孔等偶数个模孔，分流孔形状可以设计成斜孔，即入口小出口略大，同时也要根据型材的形状而具体确定，最终以有利于金属焊合为目的。

2.3 焊合室。增大焊合室高度有利于焊合区的焊合，但会使得模芯的稳定性下降和制品壁厚不均；当压力增大和焊合室高度过小时，就会影响焊合区的焊合质量。焊合室高度通常可根据挤压筒的直径而定（参考表1）。

表1 挤压筒直径与焊合室高度对照表

[筒径＼&115-170＼&170-220＼&220-280＼&300以上＼&焊合室高度＼&10-20＼&20-30＼&30＼&40＼&]

2.4 分流桥的确定。分流桥可按照其结构分为固定式分流桥和可拆式分流桥两种。若分流桥宽设置较小，则可以加大分流比和降低挤压力；若设置较大，则可以改善金属流动的均匀性。分流桥高度与模具强度及挤压力有直接关系，在保证模具强度情况下，应愈小愈好，若分流桥的高度过大，则压力就会变大。所以分流桥的高度值必须要能保证模具的强度。

3 挤出模具的维护

对于模具的维护和保管是直观的一个环节，从模具出厂以后就需要对模具建立档案，详细记载模具的相关情况，包括订购验收情况、工艺参数和使用过程中的技术状况、磨损和维修情况等。在平常使用过程中要根据使用强度对真空系统和冷却系统等进行必要的清理工作。使用过程中如果模具表面出现擦伤或轻微腐蚀现象，要及时用1000目以上的细砂纸打磨抛光，对严重的损伤要及时进行修复处理。在模具闲置不用的情况下要放置在清洁、干燥且通风的地方进行保管，谨防受到腐蚀，对于长时间不用的模具要采取油封等其他的防止损伤的措施。另外，模具的维修和养护需要具有专业技能的工人承担，切不可粗心大意。

参考文献：

[1]何钊.基于HyepXtrude的多孔模具研究及应用[D].中南大学，2012.6.

薄壁圆筒干摩擦减振设计 篇4

以前国内外对于薄壁结构的减振设计大量来与实验研究和工程经验,可供参考的文献比较少。J.S.Alford、Niemotka M A和Ziegert J C[1]对航空发动机中的篦齿封严装置的减振装置设计做了大量实验性研究总结工作,但是对含有阻尼环的篦齿封严装置的响应没有太多研究。国内对于过盈安装的阻尼环/套类似结构的减振机理研究也比较少,北航的曾亮,李琳[2~4]等分别从理论和实验研究了带有阻尼环封严蓖齿封严装置的振动响应特性。但尚未有人直接使用有限元软件对类似结构的振动特性进行计算。

1 干摩擦阻尼结构减振机理

开口式减振环或减振套筒安装在薄壁件内,通过过盈连接固定在薄壁构件的内壁,受扰动时,减振环与薄壁件间发生相对微小滑动从而消耗能量,因此产生的滑移阻尼将振动幅值降低到较低的水平,这样就可以避免振动过大产生高的振动应力而可能导致的疲劳破坏[5]。虽然在准则中对类似结构有相应要求,仅是根据实验所取得的经验进行设计,对于其中的减振机理及设计理论,并不十分清楚。干摩擦减振方法对于环境和温度敏感性不高,适用范围广,减振效果相对别的方法较为显著,因此被广泛运用与航空航天等领域中。薄壁圆筒组合结构即薄壁圆筒和过盈安装在圆筒内壁的开口式阻尼环的装配体。

综上所述,通过有限元方法对薄壁结构的减振研究具有重大的工程价值,可为解决薄壁圆筒减振结构的设计提供参考。

2 摩擦接触模型

2.1 薄壁圆筒与开口阻尼环之间的接触压力

薄壁圆筒结构和开口阻尼环之间的装配通常采用过盈配合装配,由于过盈安装会导致阻尼环发生弹性变形,两部件接触面上必然产生接触压力P,使得两者紧密配合。

以下推导薄壁圆筒与开口式阻尼环之间的接触压力,在分析过程中,假定阻尼环与筒之间均无相对转动。

当阻尼环安装入薄壁圆筒内壁以后,两者之间的接触压力沿着圆周的分布不是一个均值,而是呈图1所示的分布。由于阻尼环的开口量相对于整体尺寸一般较小,因此忽略接触压力由于开口而产生的不均匀现象,假设接触压力在圆周上是均匀分布的。对于单位长度上接触压力的大小采用q来表示,q的大小与阻尼环的开口量,几何尺寸以及材料的特性有关。

开口量定义如下:

其中和分别是以为平均半径的阻尼环在装入薄壁圆筒前和后的平均半径。

在弹性力学变形范围内,接触压力q与Δ开口量呈正比关系,q与间的比例关系由单位载荷法可得。由于阻尼环的变形相对开口是对称的,因此可取模型的一半进行研究,并认为其一端固定,一端自由(如图2(a)所示)。由单位载荷法得到阻尼环自由端变形量为[3,6]:

其中M,Q,N和M1,Q1,N1分别是接触压力q和附加单位力在开口阻尼环的横截面内引起的弯矩,横向剪力以及法向的拉力;G,E分别是材料的剪切模量和弹性模量,A为开口阻尼环的平均横截面积A=bh,阻尼环的轴向尺寸为b,径向尺寸为h;J为开口阻尼环平均横截面积的惯性矩,Kr是横截面的形状系数。一般横截面为矩形时Kr=1.2。

运用截面法受力平衡原理,由图2(b)得:

在单位力作用下的受力平衡条件:

将以上公式代入式(1),有:

通过对上式的积分变换,得到:

由以上两式可知,当给定开口量和相关几何参数,即可求得阻尼环与薄壁圆筒间单位弧长上的接触压力q,进而可求得单元接触压力P。

2.2 薄壁圆筒与开口阻尼环之间的摩擦模型

在ANSYS中采用的是一种基于经典库伦摩擦模型以及微滑动模型变形而来的摩擦模型。该模型中定义了一个等效剪应力τ,在某一法向压应力p作用下剪应力达到此值时表面将开始滑动:

其中,μ是摩擦因数作为材料特性定义,COHE是粘聚力。

一旦剪应力超过此值后,两个表面之间将会发生相互滑动。表面直接运动状态的转换也会带来摩擦系数的不同,摩擦系数依赖于接触面之间的相对滑动速度,通常静摩擦系数大于动摩擦系数。

ANSYS提供了如下所示的指数衰减摩擦模型:

式子中:μ为摩擦系数;MU为动摩擦系数;FACT为静摩擦系数与动摩擦系数之比,取1.5;DC为衰减系数,取0.5,单位为s/m。

各向同性摩擦模型是基于一种材料之间进行摩擦,此时只有一个摩擦系数,可以通过MP,MU直接指定摩擦系数。

图4为摩擦系数对应的指数衰减曲线,其中静摩擦系数为:

本文所讨论模型薄壁圆筒及开口阻尼环皆采用一种材料,因此使用各向同性摩擦模型。

由图3可知,ANSYS中所提供的摩擦模型对库伦摩 擦模型进 行了扩展 , 提出了实 常数TAUMAX。TAUMAX表示最大接触摩擦应力,单位为Pa,无论法向接触压力多大,只要摩擦应力达到了最大接触摩擦应力,接触面之间就会发生相对滑动。当接触压力变得非常大时,就要借助TAUMAX。依据ANSYS帮助所述,最佳的TAUMAX值与材料的屈服极限为比例关系,符合下列公式:

其中σy为材料的屈服极限应力。

由于本文是根据阻尼环的微小位移进行减振,因此接触面之间将会产生滑动,因此选择不分离模型。

由于具有滑动的摩擦接触属于高度非线性行为,本文选择非对称求解器对收敛性进行改善。

3 ANSYS仿真模型计算

3.1 研究对象

以薄壁圆筒为研究对象。仿真计算中薄壁圆筒与开口阻尼环采用材料参数如表1所示。

薄壁圆筒的几何结构参数如表2所示。

边界条件为薄壁圆筒一端全固,阻尼环内端限制轴向运动。

3.2 仿真模型计算结果

本文选用Solid45单元进行建模,使用柔-柔接触,通过瞬态分析中全积分法下的比例阻尼的方式加载结构阻尼比。

在组合结构某一节点上施加幅值为1N的单点径向瞬态激励,激励时间为1.25×10-4,激励位置为筒外表面,轴向位置28mm处,方向为沿径向指向圆心。拾振点位置为筒外表面,轴向位置70mm处。

仿真计算流程如图6所示。

计算时长为0.05s。边界条件为筒一端全固,开口阻尼环轴向固定。分析中取结构粘性阻尼比为0.0025,动摩擦系数取0.48。仿真时根据2.1中理论计算求得的接触压力p,预先施加于阻尼环上,用于模拟过盈安装时产生的预应力。

开口阻尼环模型截面参数如表3所示。

由图7、图9和图11可知加了阻尼环的组合结构在瞬态扰动的情况下,振幅衰减所需时间较短,由图8、图10和图12可知光筒瞬间扰动下的最大振动幅值为4.436×10-10m,模型1瞬间扰动下的最大振动幅值为3.904×10-10m,模型2瞬间扰动下的最大振动幅值为1.67×10-10m,也就是说随着阻尼环轴向尺寸b越来越大,对于振动峰值抑制效果越好。

4 结论

本文运用接触和阻尼的相关知识研究了装有开口阻尼环的薄壁圆筒结构减振结构,采用柔-柔接触的方式求解带有摩擦接触的组合系统。研究了附加开口阻尼环的薄壁圆筒组合结构的时域以及频域响应。通过分析,得到了附加开口阻尼环对于薄壁圆筒类结构的减振规律,阻尼环轴向尺寸b越大,对于振动峰值抑制效果越好。

参考文献

[1]林茂山.鼓筒-约束层阻尼系统建模与减振机理研究[D].沈阳:东北大学,2011.

[2]曾亮,郭雪莲,李琳.带有阻尼环(套)的篦齿封严装置固有特性的理论及实验研究[J].航空动力学报,2007,22(7):1035-1043.

[3]曾亮,李琳.用于篦齿封严装置的减振阻尼环设计理论[J].北京航空航天大学学报,2006,33(5):518-522.

[4]曾亮,李琳.具有接触接合面的篦齿封严组件振动特性分析[J].航空动力学报,2006,21(5):854-861.

[5]编委会.航空发动机设计手册[M].第18分册,北京:航空工业出版社,2001.

浅谈薄壁套零件的加工 篇5

摘 要：薄壁零件的加工问题，一直是较难解决的，通过探讨薄壁类零件在加工中存在的易变形、零件尺寸及表面粗糙度不易保证等技术问题，对加工难点进行分析，给出了工艺路线和加工方案，通过优化、完善装夹方法，从而有效解决此类薄壁类零件的车削加工难题，为以后加工此类薄壁零件提供了经验借鉴。

关键词：薄壁零件；变形；夹具

薄壁零件应用越来越广范，它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点，但薄壁零件刚性差，强度弱，装夹基准面小，加工过程中容易变形，不易保证加工质量和精度，因此如何正确的加工薄壁零件也是一个棘手的问题。

1 基本情况介绍

该薄壁套零件，材料为45#钢，壁厚最薄2mm，薄壁套最大直径为Ф70mm，内孔粗糙度为0.8，同时内孔精度要求在0.021mm内；外圆要求在0.021mm内，且精度要求较高，零件左端面有端面圆弧，其形状及尺寸如图一所示：

2 薄壁零件的工艺分析

2.1 工艺难点

影响该薄壁零件加工精度的主要因素主要有三方面的问题

①易受力变形 薄壁零件不易装夹，工件壁薄，在较大的夹紧力下，容易产生夹紧变形。

②易受热变形 因工件壁薄，过大的切削热会使工件产生热变形，不易保证工件精度要求。

③易振动变形 在高速切削过程中，工件易产生振动，从而影响工件的形位精度和表面粗糙度。

2.2 工艺方案过程

零件初始的工艺方案为：

①夹持毛坯料，钻孔，内外交叉车削薄壁内外圆和Ф80外圆保证精度。②对零件切断，为保证总长，长度提前预留1mm 。③为保证薄壁零件的形位精度，我们采用扇形软爪和开缝套筒对薄壁进行装夹。④零件调头，切削端面保证总长。⑤切削端面圆弧。

通过这种方案加工出的工件经过三坐标测量机的检测，零件薄壁外圆和内孔的圆度已经发生变化 ，为了保证工件的形位公差，我们变径向装夹为轴向装夹。

零件改后的方案为：

① 对零件薄壁进行粗精车

选用Ф24的钻头钻深度为80的孔，用内孔刀粗车内孔留精加工余量，对于Ф30的端面孔可以直接用Ф24钻头钻孔，留余量为轴向装夹定位时使用。用外圆车刀粗车Ф70、Ф80外圆，留精加工余量，之后分别对零件内孔和外圆进行精车，保证零件的尺寸精度，交叉车削最大限度的减少了零件的受力变形。

②切断零件并留余量

选用4mm的切断刀切断零件，并留有1～2mm的余量，以保证总长，切断时的转速和进给都不宜过高。

③采用专用夹具对零件进行装夹

薄壁类零件，刚性很差，采用软爪装夹和开缝套筒也会对工件造成夹紧变形，为此我们设计一心轴来固定零件，极大的减小了零件的径向变形（此心轴为螺纹配合），如（图二）所示。将零件固定在夹具上，用外圆刀切削工件端面，保证总长。

④用左偏刀车削端面圆弧

将左偏刀横装在刀架上，刀尖对准工件端面，由外向里车削端面圆弧，进给速度不宜过快。

⑤用端面槽刀对零件进行最终切断

零件在加工过程中，用螺栓加垫片紧固Ф24孔端面来固定零件，图中端面孔的尺寸应为Ф30，选用3mm的端面槽刀，对零件进行切断，转速进给不宜过高。

2.3 刀具的选择

在零件的加工过成中刀具材料和车刀角度的合理选择对生产效率和工件表面粗糙对有很大影响，

所以正确选择刀具材料和刀具角度是加工中关键的问题

2.3.1 刀具材料要求

①高的硬度；②足够的强度和韧性；③高的耐磨性和红硬性； ④良好的导热性；⑤良好的工艺性；⑥良好的抗粘结性和化学稳定性。

2.3.2 刀具几何角度选择要求

①考虑工件的具体情况，如毛坯是锻造件还是铸造件，毛坯料的材质等。②考虑刀具的材料和结构，如高速钢、硬质合金或陶瓷等，整体的机夹方式。③注意几何间的参数关系，如选择前角时应考虑断屑槽的形状，刃倾角的正负等。④了解具体的加工情况，如机床，夹具等。⑤正确处理刀具的锋锐性与强度，耐磨性之间的关系。

精加工刀具角度的合理选择：

外圆精车刀 Kr=90°～93°，Kr=15°α0=14°～16°，α01=15°，γ0适当增大。

内孔精车刀 Kr=60°，Kr=30°，γ0=35°，α0=14°～16°，α01=6°～8°，λs=5°～6°。

2.4 加工路线的优化

为使薄壁零件在加工过程中的变形对精度的影响减到最小，普通的车削很难保证零件的精度，应对零件进行内外交叉进行车削。

①先用Φ24的钻头进行钻底孔。再选用Φ30的钻头进行扩孔，扩孔的深度大约有70mm左右，用钻头进行钻孔可代替车刀的车削，效率比车削快。②粗车Φ66的内孔，留0.5的余量。③粗车Φ70的外圆，留0.5的余量。④精加工薄壁内外轮廓，保证精度。⑤用4mm的切断刀把工件切断，留1～2mm的余量，以保证总长。⑥用专用夹具固定零件，切削端面保证总长，左偏刀切削零件左端圆弧部分。⑦用端面槽刀把工件切断。

3 总结

通过以上分析，对于薄壁零件的加工方法可归纳如下：

①粗、精加工分开。合理的工序安排减弱了因装夹和热变形对工件质量的影响，机床也得到合理的使用。②粗、精加工之间增加去应力工序，以最大限度地消除工件内部的应力。去应力后的工件在随后的精加工中能够较好的保证零件的形状和尺寸精度。③精加工余量。合适的加工余量既能保持工件本身较好的基本强度，同时能保持切削时的散热与排屑。④装夹方式。合适的装夹方式，提高了加工效率，节省了加工时间。

4 结束语

在数控加工中经常会碰到一些薄壁零件，本文对薄壁套零件加工的工艺特点、防止变形的工艺方法、车刀的几何角度及路线优化进行了简单的分析和阐述，为今后更好的加工薄壁零件提供了经验积累。

参考文献：

[1]《机械工程手册》之《机械制造工艺及设备》（一）卷[M].机械工业出版社，1996.

[2]《航空制造工程》之计算机辅助制造工程分册[M].航空工业出版社，1995.

[3]王启平主编.机械制造工艺学[M].哈尔滨工业大学出版社，1990.

[4]刘立.数控车床编程与操作[M].北京理工大学出版社，2006.8.

[5]车工.职业技能鉴定教材编审委员会[M].中国劳动出版社，2004.7.

薄壁气缸体零件的夹具设计 篇6

关键词：气缸体,夹具,加工工艺

0 引言

高精度、薄壁腔体类零件在机械行业的应用越来越广泛,但薄壁腔体类零件在加工过程中存在着以下问题:(1)由于壁薄、刚性差、强度弱,在夹紧力的作用下容易产生变形,从而影响工件的尺寸精度和形状精度,不易保证加工质量;(2)因工件较薄,切削热会引起工件热变形,使工件尺寸难于控制;(3)在切削力、特别是径向切削力的作用下,容易产生振动和变形,影响工件的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度。[1]

1 气缸体零件的加工工艺

1.1 零件的工艺分析

图1为一气缸体零件,毛坯选用标准铝合金气缸体型材,其内孔尺寸为Φ63,铝型材长2m。要求加工型材两端面并倒角,保证零件总长60mm,且要求零件两端面与内孔的垂直度为0.025mm,大批量生产。

该气缸体零件加工时主要考虑以下问题:

(1)保证位置精度。图纸要求保证零件的两端面与内孔的垂直度为0.025mm,要求较高,应以该气缸体零件的内孔面作为定位基准面较合适。由于该零件壁较薄,最小壁厚处只有2mm,其强度和刚度差,因此在零件的加工过程中容易产生各种变形,如在夹紧时由于夹紧力作用易产生变形,或者加工过程中由于机床的振动,容易产生振动和变形,难以达到尺寸及位置精度等要求。

(2)批量生产时应注意提高生产效率。对于批量较大的生产,应考虑采用合适的夹具装夹工件,以使装夹方便,免去工件逐个找正对刀所花费的时间,快速装夹有利于提高生产率,并且可以准确确定工件与机床、工件与刀具之间的相对位置,并且能可靠和稳定地获得位置精度[2]。

1.2 机械加工工艺

为提高生产效率,减少装夹时间,进行大批量生产,现确定加工工艺方案如下:(1)备料;(2)锯床下料,长62mm;(3)车床粗加工两端面,留余量(夹具装夹);(4)车床精加工两端面至总长尺寸,两侧倒角C2(夹具装夹)。

2 专用夹具设计

如采用一般的间隙配合心轴进行装夹,则工件装卸比较方便,但由于工件毛坯内孔处公差为0.074mm,工件内孔与心轴配合处的间隙产生出基准位移误差ΔY较大,不易保证零件的垂直度0.025mm。为了保证工件在加工时定位准确、装夹方便,并且减小薄壁零件在加工过程中的振动,通过分析该零件毛坯,采用Φ63+00.074内孔作为定位基准面,符合基准重合原则,可使基准不重合误差ΔB=0[3]。

笔者设计的专用夹具见图2,利用该夹具进行加工,既能保证加工精度,也能提高批量加工的生产效率。

2.1 夹具结构

该夹具采用H591的Φ70铜棒制造,先经车削、钻削初步加工至一定尺寸,留足够余量,再经线切割分成大小相同的三等分铜片。首先将车床三爪卡盘的三卡爪调整至合适位置,采用氧气焊接方式,使三铜片与三爪卡盘的三卡爪分别焊接成一个整体。经安装调整后,再次对铜片进行车削外圆、镗削内孔,并倒角至零件要求尺寸。图2中阴影部分为线切割去除材料部分,铜片加工后与工件配合处外径尺寸为Φ63+00.05mm。

焊接铜片时,应使铜片与三卡爪具有初步正确的位置,可采用铜丝制作铜丝环(见图3),外圈铜丝以卡盘外圆作定位基准,内圈铜丝可初步保证三铜片与卡爪的相应位置。

2.2 装夹过程及特点

图4为夹具装配图。工件加工前装夹时,先扳动卡盘扳手,使三个卡爪向内收缩以便安装工件,再使三个卡爪向外伸展,利用铜片向外伸展时与工件间产生的相互作用力来夹紧工件。操作时应用手握住工件,注意调整工件与夹具间的配合,并使工件的一端面抵住夹具的台阶面,此台阶面为零件加工时轴向的定位基准,以保证长度尺寸,提高生产效率。加工结束后,只需松开卡爪,即可卸下零件。

此夹具可使工件的安装与夹紧一次完成,具有定心的同时将工件夹紧的特点。不仅大大提高了生产的效率,并且由于铜片随卡爪同步趋近或离开工件,不论铜片处于何位置,其对称中心的位置不变,以保证工件的定位基准位置不变,基准位移误差ΔY=0,使得定位误差ΔD=0,可实现工件两端面与内孔的垂直度要求。

3 加工参数的确定

薄壁气缸体零件在粗加工时,背吃刀量ap和进给量f可以取大些;精加工时,背吃刀量ap控制在0.2mm～0.3mm,进给量f取0.1mm/r～0.2mm/r甚至更小,切削速度vc取3m/min～5m/min。

薄壁气缸体零件材料为铝合金型材,可以采用YT30硬质合金刀具,刀具的前角γo取5°～20°;刀具的主偏角κr对切削力的影响较大,为减小切削力,可选取较大的主偏角75°～90°[4]。

4 结语

利用该专用夹具实际加工生产薄壁气缸体零件,具有夹紧可靠、定位精度高、工件装夹方便、产品加工合格率高、使用寿命长等特点。其加工过程平稳,无噪声。经检验,工件精度完全符合工艺要求。

从实际应用效果来看,该加工方案合理适用,能够满足该零件的加工要求,具有使用和推广价值。

参考文献

[1]刘峻.薄壁零件的加工工艺研究[J].机械研究与应用,2011(3):58-61.

[2]赵志修.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3]戴陆武.机床夹具设计[M].西安:西北工业大学出版社,1990.

薄壁设计 篇7

1零件的加工特点

1.1薄壁零件加工特点

在生产实践中, 薄壁类零件加工时易变形, 而且变形的表现形式是多种多样的, 有体积和尺寸的胀大和收缩变形, 也有弯曲、歪扭、椭圆、翘曲等畸形变形。但就其产生的机理来说, 可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形两大类。

某厂某型号产品中加工的是大口径的变波束平板天线, 主体结构由辐射板、馈电板、功分/和差网络等通过盐浴焊接, 连接波导螺装而成, 显著特点是波导腔体叠加层数在整体厚度不到30mm内达到五层、层与层之间间隙最大不超过10mm、整个形成腔体的零件壁厚均为1mm, 局部让位部位仅为0.5mm。腔体尺寸精密。馈网及功率分配波导的分布与走向设计变得相当复杂, 精密加工测量比较困难。再有天线子阵共达100多个, 天线反射体设计全程范围内的平面度为0.3mm, 壁厚仅为1mm, 天线辐射缝达3400多个, 3400多个窄缝阵的各尺寸精度都在±0.02mm之内, 各位置精度也在±0.02mm之内, 加工后的馈电缝及腔体、安装榫孔等相对各尺寸精度都在±0.02mm之内, 各位置精度也在±0.02mm之内, 功分/和差网络零件均为薄壁, 主体厚度1mm, 波导腔体面表面光洁度要求高, 加工困难。

1.2零件加工过程中产生的问题

1) 平板天线在制零件均属薄壁类、高精度零件, 容易造成零件变形, 尺寸、位置精度超差, 不符合设计要求。

2) 平板天线在制零件加工均采用高速切削, 加工路径长、切削时间长, 其刀具磨损大, 零件精度周期稳定性差。

因此, 必须通过有效、科学的方法, 不断改进工艺和加工方法。正确编制工艺规程, 合理安排工序, 使工装设计满足使用要求。

2工装与工艺设计

2.1零件的装夹方式与方法

由于薄壁类零件的形状和结构的多样性以及本身具有刚度低的特点, 装夹时施力的作用点不同, 产生的变形就不同。大量实践证明, 增大工件与夹具的接触面积或轴向夹紧, 可有效降低零件装夹时的变形。如在铣削加工薄壁件时, 大量使用弹性压板, 目的就是增加接触零件的受力面积;平板天线的辐射板和馈电板外形较大, 在加工中没有足够大尺寸的磨床来保证平面度, 零件在切削过程中, 产生一定的切削力, 这个切削力与切削用量有着密切的联系。切削力的产生, 使被加工零件存在着一个被移动的趋势。因此, 必须有一个外在力将它克服, 真空吸附夹具利用夹具体与零件间的摩擦力克服切削力, 保证零件在加工过程中不被移动。采取了吸附工装真空吸附零件, 外形四周采用 “哑铃”双面沉头螺钉装夹, 真空吸附夹具的实质就是:使薄板零件与夹具之间形成相对真空, 产生负压, 并在周围用密封圈密封, 利用大气压的压力, 将零件紧紧地压在夹具体表面上。这种夹具能完全满足加工要求, 夹具体必须具有足够的强度与刚度, 为了使零件均匀地吸附在夹具体上, 夹具体必须开有均匀的真空腔, 利用真空吸附增加了对零件的吸附面积, 同时减小了真空使用体积。加工前, 将被加工零件安放在夹具体表面上。外形靠在4个销钉上定位, 然后开动真空泵, 夹具体上开的槽与被加工零件间就形成了真空腔, 将零件吸紧在夹具体表面上。

铣削薄壁类零件要采用高速切削技术 (采用了高转速、小步距、大进给的加工策略) 。采用高主轴转速可将切屑载荷 (切深) 减小到0.13mm以下, 如此小的切深能显著减小刀具与工件材料之间的切削力。高速/小切削力加工产生的热量较少, 可减小刀具偏差, 并可实现对薄壁工件的加工。由于具有这些优点, 采用高速切削可以获得较好的加工表面质量, 切削温度较低, 工件易于夹持, 加工精度也较高。再者加工时要求刀具锋利, 一方面可减少刀具与工件的摩擦, 另一方面可提高刀具切削工件时的散热能力, 从而减少工件上残余的内应力。例如, 在铣削薄壁类零件的大平面时, 使用了单刃铣削法, 刀具参数选取了较大的主偏角Kr=75°～93°和较大的前角γo≤30°, 目的就是为了减少切削抗力Fy的作用。

由于加工机床特性无法完成零件的装夹, 按机床DMU125P/FV-1712内部空间格局, 加工辐射板, 馈电板及吸附工装, 所要加工范围与DMU125P加工行程发生冲突。在不发生碰撞的情况下, 尽量利用机床行程, 最终附加了加工中转工作台 (200kg铝制工作台) 用以辅助加工, 如图1所示。

2.2辅助加工的功能

2.2.1 中转台的作用

辅助加工、拓展零件安装面积, 有效利用机床行程、缩短主轴端面到零件表面的距离。

2.2.2 吸附板的功能

吸附加工零件、零件加工时形成较大面积的接触、便于零件的装夹。

2.2.3 装夹的有效利用

装夹时采用 “哑铃”双面沉头螺钉装夹, 去除了压板装夹, 以便于零件的加工;而且使用钢丝螺套, 便于螺纹孔的反复使用;真空吸附槽增加了吸附面积, 并且减少了真空体积。

1.中转台, 2.吸附板, 3.钢丝螺套, 4.真空吸附槽.

3加工过程中的具体操作

对加工精度要求较高的薄壁类零件, 应把粗加工、半精加工、精加工分开进行。粗、半精、精加工分开, 可避免因粗加工引起的各种变形, 包括粗加工时, 夹紧力引起的弹性变形、切削热引起的热变形以及粗加工后内应力重新分布引起的变形。其目的是为了保持零件的精度及稳定性。

新材料6063的应用, 从加工角度工艺采用加工实验件来确定加工参数和工艺参数。热处理也用实验件来确定温度和保温时间, 并在热处理后采用冷处理, 更有效地控制变形。采用上述措施, 既节省了材料、时间, 还有效地控制了零件的变形和稳定性、加工性能。

另外, 粗、精加工分开, 机床设备也可得到合理的使用, 即粗加工机床可以充分发挥其效率, 精加工机床可长期保持机床的精度和维持使用寿命。辐射板, 馈电板, 大尺寸底板, 中板的平面由机床直接加工;平板天线零件加工采用“回”字型方法。这样可以保证零件平面度, 也可保证零件在加工中的稳定性, 提高加工精度。因材料退火后切削黏性大, 小刀具铣缝容易产生较大毛刺, 现采用最后铣腔体底面和腔体缝时, 粗、精加工分开, 这样既剔除了毛刺又提高了加工精度, 也降低了后续钳工工序的工作量。

参考文献

[1]王先逵.机械加工工艺手册[M].机械工业出版社, 2007.

薄壁管件内胀式车削工装设计 篇8

薄壁管件在机械加工中定位难度大, 装夹、加工变形严重, 要保证高的加工精度在机械加工领域中是一项难题。 主要有以下难题:

( 1) 工件弹性模量较小

由于弹性模量小, 在外力 ( 切削力和夹紧力) 的作用下, 容易产生较大的弹性变形, 使工件很难获得较高的加工精度, 并且加工过程中会引起已加工表面和刀具后刀面之间的剧烈摩擦, 从而加快刀具的磨损并引起振动, 在工件壁厚很薄的情况下表现更加明显。

( 2) 易产生振动

在交变切削力 ( 特别是径向切削力) 的作用下薄壁管件容易产生受迫振动和自激振动, 当振动频率与薄壁筒类零件的固有频率接近时, 会产生不利于加工的共振现象, 在被加工表面留下振动痕迹, 影响工件的表面粗糙度和尺寸精度。

有一种薄壁类零件筒体厚度约为0.50mm, 在自然状态下呈不规则的椭圆状, 设计需在该筒体中部加工厚度为0.20mm的环形带, 装夹定位难度非常大, 无法采用常用方法设计专用夹具, 需要针对零件特点设计专门的夹具, 来解决零件加工过程装夹的难题。 针对加工中出现的上述问题, 开展了薄壁管件的加工工艺研究, 首先进行内胀式车削工装的研制。

1 加工工艺分析

该零件原工艺中采用磨削加工的方法加工中间超薄壁部位, 工件表面质量直接由砂轮修磨后的砂轮表面质量决定, 同时成型磨削力较大, 引起的磨削热易使工件产生变形、烧伤等。

同时由于薄壁管件硬度低和刚性差, 导致加工过程中受切削力的影响易产生较大的变形, 因此提高零件质量就要从这些方面入手。 可通过以下措施优化薄壁管件的加工工艺:

1.1 合理选择切削参数

在零件刚度一定的情况下, 可以通过减小切削力来减少零件的变形。切削力的大小与背吃刀量、进给量大小成正比关系, 可减少进给量和背吃刀量来减小切削力, 从而减少工件的变形, 提高加工精度。

1.2 合理选择刀具

切削加工中, 切削力的大小将直接影响薄壁管类零件的变形情况。因此, 可通过选择合理的刀具几何参数来尽量减少加工时的切削力。选择时应主要考虑以下几个方面:为减少工件的弯曲方向的变形, 刀具的主偏角应选择较大的, 以减少径向切削分力;为减少切削力, 应选择较大前角的;刀具安装时, 应保证略高于工件中心线, 使刀具后刀面与工件表面轻微接触, 以利于减小工件切削时产生的振动, 提高切削过程的平稳性, 从而保证加工尺寸精度和表面质量。

1.3 合理的设计装夹方式

薄壁管件加工时装夹方式的选择尤其重要, 选择合理的装夹方式, 可有效的减少工件装夹变形及在切削加工时受切削力引起的变形, 常规的薄壁管件装夹均采用芯轴法。 即在加工外径时, 根据薄壁管件内径尺寸, 设计一种内撑的芯轴, 与薄壁管件内腔形成配合, 在加工外圆时起到支撑作用, 同理加工内腔时, 则根据外径尺寸设计一种套筒, 包裹在工件外部, 加工内径时起到支撑作用。 这种工装的缺点是, 芯轴 ( 套筒) 配合部位的尺寸是固定的, 当工件尺寸在公差范围内有变化时, 较难保证设计工装时要求的配合间隙, 针对这一问题, 本文创新的设计出了一种, 装夹部位尺寸可以微调, 从而保证配合间隙的夹具, 下面进行详细介绍。

综合考虑磨削加工和车削加工的切削机理异同点, 采用数控车削的加工方法可有效去除传统磨削加工带来的热烧伤加工缺陷。因而工艺考虑使用现有高精度数控车床, 解决磨削加工工艺容易烧伤薄壁管件的问题;并且配合薄壁管件车削工艺, 设计精密内胀式专用夹紧装置解决超薄件壁件加工定位难、工件容易因装夹产生变形的问题;并通过系统试验, 寻找到通过有效途径控制涨紧力的方法, 减小由于涨紧力过大或者过小引起的变形。

2 内胀式车削工装的结构设计

对于薄壁管件, 夹紧力、车削力对工件成型精度 ( 包括:尺寸、圆度、表面粗糙度等) 影响很敏感。为了保证薄壁管件较高的加工定位精度, 并尽量减小工件装夹时的变形, 创新的研究设计整圆式定位涨紧的方式, 避免在加工中出现车漏, 定位准确度低, 装夹工件变形大的问题, 同时设计芯轴为两端加工高精度的带护锥的加长中心孔, 车削加工时, 工装在机床上采用两端顶住中心孔的方式装夹, 以提高芯轴本身在机床上的定位精度。

内胀式车削工装的是设计原理是是利用胀套径向的变形量对工件进行胀紧, 保证与每个工件都能有合理的配合间隙, 并对工件产生胀紧力。 胀紧力作用在工件与胀套之间, 并产生摩擦力, 大于切削力时, 加工中使工件与芯轴保持一体状态, 在车床上进行旋转, 以保证车削加工的可靠性。 如图1, 工装主要由压紧垫、圆螺母、芯轴、锥度芯轴、胀套等组成, 其中芯轴两端加工有顶尖孔, 用来将工装装夹在机床上。 胀套装初工件为间隙配合, 锥度芯轴外圆与胀套锥度内圆为锥面配合, 当胀套固定不动时, 在外力作用下, 移动锥度芯轴组件, 使胀套在径向发生弹性变形, 将工件涨紧。此微小的调整量, 利于不同工件内径尺寸有微小不同时, 该工装仍能保证合理的配合间隙, 从而保证加工质量。

为保证加工精度, 设计胀套与工件加工部位为整圆式完全接触保证绝大部分工件与工装能够配合紧密, 结构如图2, 选用尼龙作为胀套的材料, 弹性好, 可保证每次胀紧量。

3 胀紧力的控制

胀紧力太大易使工件产生变形, 影响加工精度, 太小, 不能满足夹紧要求, 胀紧力控制的难点是在装配过程中实际胀紧力是无法测量的, 只能间接控制涨紧力。 结构设计时考虑在轴向施加外力, 使锥度芯轴与胀套作相对移动, 设计通过控制轴向移动量的方法达到控制径向变形量, 从而控制涨紧力的大小。

4 结论

a.通过工艺技术分析, 研究设计的内胀式车削工装, 解决了薄壁件定位与夹紧难题, 同时通过控制胀紧力, 减小了工件的夹紧变形和加工变形;

b.研究设计的内胀式车削工装已成功应用到我院的产品试制中。

摘要：本文针对某一设备上的关键零件, 设计为一种薄壁管件结构形式, 壁厚较薄, 加工过程中在交变切削力 (特别是径向切削力) 的作用下薄壁筒类零件容易变形和产生振动, 因而很难控制其加工精度。为了进一步保证其加工精度, 进行了车削工艺分析, 针对薄壁管件容易装夹变形, 在车削加工中也容易受力变形的难题, 研制高精度内胀式车削工装, 解决了薄壁管件车削加工中出现的技术难题。

关键词：薄壁管件,内胀式车削工装,设计

参考文献

[1]机械工程手册, 第8卷, 机械制造工艺 (二) [M].机械工业出版社.

薄壁设计 篇9

1 课题背景

1.1 课题研究的意义

无线网卡是由塑胶, 68根端子, shell等部分组成, 由于端子数量较多, 其平面度制程能力较差, 目前主流SMT厂钢板厚度在0.10mm左右焊接时要求68根端子平面度要保持在0.10mm以内;F公司是全球最大的无线网卡接口 (conn) 的厂商, 占据市场份额的40%。但自2010年以来, 空焊客诉接连不断, VOC→CTQ, 厂内相关部门组织QIT使用六西格玛方法, 按照SIPOC流程和DMAIC的步骤对产品端子平面度进行改善。

1.2 国内外研究现状

无线网卡接口端子平面度不良 (>0.10mm) 为电子连接器生产厂商的共性问题, 由于端子为直接压入塑胶PIN槽中, 塑胶的翘曲量决定了端子的平面度。该连接器有68个槽口, 结构长而薄 (长约47.45mm, 厚约2.70mm) , 由于结构限制, 在成型过程中易发生翘曲 (目前翘曲量为0.06mm～0.08mm由此导致成品端子平面度为0.12mm～0.15mm) 。

业内使用治具对端子进行调整, 经检验后再出货客户。但由于端子材质为铜材, 人为调整后, 在SMT过程中 (炉温一般在240度左右) 金属应力释放, 端子平面度依然>0.10mm, 导致产品空焊不良;虽然F公司为避免人员检验漏失, 采用基于机器视觉图像处理技术研究开发的CCD平整度检测仪, 但由于产品良率太低 (80%产出品需进行调整) , 自动机台无法投入使用。

如何减少、防止制品成形中时常发生的翘曲现象, 是困扰工程师的一大难题, 薄壁注塑成型中的翘曲变形问题比常规注塑更为严重。依靠传统的经验、技术诀窍不断尝试不同的工艺方案, 往往无法有效解决问题?因此, 使用CAE技术应用于注塑成形, 进行翘曲变形回归分析, 以优化注塑成形工艺参数设置, 从而提高生产效率和成形质量, 是解决翘曲变形问题的新思路。

2 田口试验设计

2.1 概述

20世纪60年代田口玄一将“正交设计”表格化, 极大改善了实验设计。它强调产品质量的提高不是通过检验, 而是通过设计。它不仅提倡充分利用廉价的元件来设计和制造出高品质的产品, 而且使用先进的试验技术来降低设计试验费用, 这是田口方法对传统思想的革命性改变, 为企业增加效益指出了一个新方向。

2.2 田口方法的基本思想

与传统的质量定义不同, 田口玄一将产品的质量定义为:产品出厂后避免对社会造成损失的特性, 用“质量损失”来对产品质量进行定量描述。质量特性值偏离目标值越大, 损失越大, 即质量越差, 反之, 质量就越好。对待偏差问题, 传统的方法是通过产品检测剔除超差部分或严格控制材料、工艺以缩小偏差。这些方法一方面很不经济, 另一方面在技术上也难以实现。田口方法通过调整设计参数, 使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感, 以提高产品自身的抗干扰能力。

2.3 田口试验设计的特点

是一种分部设计法, 田口试验表只需全因子设计组合的一部分, 因而可以用较少的组合评估较多的试验因素。田口试验设计的试验序列 (试验表中的因素水平组合) 是正交的, 因此是平衡设计, 可以独立评估因素影响。田口将信噪比S/N的概念导入试验设计, 其定义如下:设产品质量特性Y在多个输入变量的作用下为随机变量。其数学期望为μ, 方差为σ2, 我们希望μ越接近目标越好, σ2 (看成噪声因素) 越小越好。S/N=10log (η·) η·=μ2/σ2。田口试验可分为静态设计和动态设计两种。静态设计:找出信噪比最高的因素水平设置以使输出变量变差最小, 即对噪音因素不敏感。动态设计:通过增加信号因素来优化变量与信号因素间的关系从而使输出变量对噪音因素不敏感, 但对输入信号达到最大敏感度。

3 田口静态试验设计实例

3.1 试验安排

对塑胶模具、成型条件、人员组立手法、产品结构等方面分析, 决议: (1) 优化成型条件 (DOE) 实验。 (2) 进行数据分析后再对塑胶进行模流分析。 (3) 确认模具状况, chk是否需要改善。 (4) 在成型条件和模具最优化后确认改善效果;其中可控因素:成型机器:压力、射速、模温 (均为重大影响) , 噪声因素:模穴号, 产品一模四穴 (穴与穴之间有重大的差异) 。

3.2 確定试验方案

小组决定用田口稳健设计来将产品翘曲对成品取消CCD的敏感度降到最低, 决定采用L9 (3×3) 田口设计表进行静态实验设计 (在27组成型条件中选择9组进行试验) 。使用Minitab对取得的9组试验数据进行分析并建立预测模型, 对S/N的影响最大的各因素组合即为最佳成型条件。

3.3 Moldflow模拟试验

确定成型条件后再根据模流分析增加逃料设计 (补偿产品流动长度过长导致流动困难及残留应力过大产生翘曲变形) 。

3.4 试验效果

确定最优化的成型条件, 模具按照M ol df l ow模拟的料流分析改善后, 翘曲数据在0.02mm～0.03mm对应成品端子平面度为0.07mm～0.08mm, 达到预期改善目标。

本改善项目是一个企业内部改善实例, 改善中运用了田口试验设计, 在产品改善的过程中降低了成本节约了时间 (全因子试验:27组成型条件需量测88128个数据, 田口试验:只需量测9组成型条件29376个数据) 在过程改善中实践了通过对变量的最优化设置来改善产品的性能 (将过程均值逼近目标值) 。

摘要：无线网卡是无线覆盖下通过网络进行上网使用的终端设备。随着电子产品主板的微型化和板载元件数量越来越多, SMT厂商焊锡钢板厚度越来越薄, 这样就要求供应商提供的无线网卡连接器的端子平面度要求越来越高, 因此提升此产品的品质对企业具有重大意义, 能提升产品竞争力和扩大市场份额。本篇以F公司无线网卡 (WSD68pin) 端子取消CCD调整QIT项目中遇到的薄壁塑胶翘曲改善为例讲述田口静态试验设计的流程及策略。

关键词：连接器,薄壁塑胶翘曲,田口试验设计

参考文献

[1]马林.六西格玛管理[M].中国人民大学出版社, 2004:745～48.

[2]唐烨.薄壁注塑制品的翘曲变形研究[D].华南理工硕士论文, 2010.

薄壁工件加工的因素及方法 篇10

关键词： 薄壁件 工件精度 加工优化

一、影响薄壁件加工因素

1.工件薄壁，在夹紧力的作用下易变形，从而影响工件的尺寸精度和形状度。

2.在加工中产生切削热引起薄壁件热变形，影响尺寸精度。

3.在切削背向力的作用下，易产生振动和变形，影响工件尺寸精度、表面粗糙度及形位精度。

二、减少薄壁工件变形的方法

1.采用粗精车分序加工：在粗车时考虑到切削余量较大和提高加工效率，相应的夹紧力稍大些。精车前适当释放卡爪，消除粗车时因切削力过的引起的变形，精车时夹紧力可稍小些，加工完成。

2.刀具的几何参数：刀具参数的合理选择是反映切削过程中多因素综合效果的重要标志。切削角度、刃口的形状在切削中都是相互影响的，侧重于保持刀刃的锋利和切削过程的稳定，从而减小切削力，应选较大的前角，较小的刀尖角。从减小振动方面应采用较小的刀具后角增大刀具后面与工件的接触面积，达到消振的目的。

3.精车薄壁工件时，要求刀柄的刚度高，车刀的修光刃不宜过长（一般取0.15mm—0.3mm），刃口要锋利。

4.切削用量的选择：切削力与背吃刀量、切削速度、进给量密切相关，当背吃刀量和进给量同时加大，切削力就大，工件变形也大；减少背吃刀量、增大进给量（0.6-0.8mm/r），切削力虽然有所下降，但工件的表面残余面积大，粗糙度增加，同时导致零件变形。一般粗加工时背吃刀量和进给量可以大些，精加工时背吃刀量在0.3—0.5mm左右，进给量应在0.15mm/min左右，精车时选用高的切削速度，三者要选用合适，可以提高加工精度。

5.装夹工艺的选择：使用开缝套筒或特制的软爪，增大装夹时的接触面积，使夹紧力均布在薄壁工件上，从而减少夹紧产生的变形。在切削时浇注充分的切削液，是防止和减少薄壁工件变形的有效方法。

使用吸振材料，用软橡胶管、棉纱、泡沫等填充或包裹薄壁工件，能起到减少振动和消除噪声的作用，也可填充低熔点物质的方法车削薄壁套，减少工件的变形。另外，车床的间隙调整到合适的程度也是提高机床刚性的重要手段。

[加工实例]

图1所示为我校企合作单位一薄壁工件，采用设备是沈阳数控机床配备广州数控系统GSK980TA的数控机床。为能提高零件合格率，我们改进了工装，优化了刀具的几何参数和切削用量，保证了工件质量。

件1为内孔尺寸加工完成外圆待加工的工件，左端为卡盘夹持的部位，直径100mm，长度50mm，件2为开口的锥度涨胎，锥度比为1：30，件3为芯轴，相同的锥度，利用螺纹的锁紧使件2锥度开口处与工件充分接触，使工件在夹具能够良好的定位和传递切削力，既防止了振动，又有利于切削加工，在件2和件3配合面处涂抹润滑油有利于拆卸。

[刀具和切削参数]

外圆粗精车均用主偏角93度，刀尖角55度的机夹车刀，刚性强，减少振动，红硬性好，耐磨损，无需刃磨刀具。

外圆粗车主轴转速为800-900r/min-左右，进给速度F100-F120，预留精车余量0.3mm左右。精车时主轴转速在1000-1100r/min，进给速度F40左右。

切削时充分浇注冷却液，能带走大量切削热，防止工件变形保证加工精度。

以上几种加工方法在生产实践中经常接触到，在上述论述中难免有纰漏之处，敬请原谅并指正。

参考文献：

[1]车工工艺学[M].中国劳动社会保障部出版社.

四条辐射状筋薄壁零件的夹具设计 篇11

关键词：薄壁结构,夹具,结构设计,四点夹持

0 引言

机械零件中的盘类零件需要采用四条辐射状筋板的薄壁结构,如图1所示,此类零件一般尾部小直径用于安装轴承等机构,前部大直径用于支承外部壳体等机构。

在满足强度要求的前提下,制造单位尽可能减轻质量、降低成本,所以壁一般做的很薄;且因为外形比较复杂,一般都尽量减少加工量而采用压铸件[1]。由于压铸件的制造精度不会太高,而且由于冷却变形等原因,薄壁结构的压铸件形状不会很准确[2],特别是前部大直径用于安装外部壳体的四个连接孔所在的平面,压铸后即形成高低不等、有一定的平面度误差,如果采用处在同一平面内的四点位置同时进行定位及夹紧,由于其中三点已经决定了一个平面,第四点的夹紧力使得该平面发生弯曲变形,一旦加工完毕、零件松开后,该加工面的精度与平面度会因夹紧力的消失而发生变化,进而生产出不合格的零件。

因此,为了得到合格的加工件,需要设计一种夹持特殊薄壁零件的专用夹具,使得夹持时零件不变形(或极少量变形),并具有一定的夹持刚性,确保抵御零件的切削力,通过加工后得到符合图样要求的精密零件。

1 四点夹持夹具结构

四点夹持夹具结构[3]如图2、图3所示。其中图2为其外形图,图3为剖视示意图。

1—拔杆;2—压紧轴;3—锁紧螺钉;4—定位轴;5—夹具底座;6—定位盘

1—销轴;2—活塞杆;3—端面油缸;4—定位套;5—定心套;6—工件;7—摆杆支架;8—摆杆;9—销;10—定位盘

夹具主要包括夹具座、定位盘、定位套、三组端面夹紧装置及一组圆周方向夹紧定位装置,定位盘通过定位套安装在夹具座上,定位盘与端面夹紧装置配合夹紧工件的端面,横向夹紧装置在横向方向夹紧辐射筋,夹紧装置由油缸提供动力,油缸分别安装在定位盘外圆柱体表面的中部和后部。

2 实施方法

加工时,先将工件6对正装入定位盘10中,工件6尾部的圆柱体与定心套4内孔作配合,这时对工件的直径方向进行定位。首先将工件6筋板上的四个连接孔所在平面的三点及垂直该平面的筋横向方向上的一点夹紧。

此夹紧即为端面夹紧。端面夹紧见图3,端面夹紧装置有三组,工作时,端面夹紧装置由端面油缸3(端面油缸3有三个,它们分别安装在定位盘10上圆柱体表面的中部)提供动力,在液压压力的作用推动活塞杆2上移,使得摆杆8绕销9转动,从而通过摆杆8顶部与定位盘10夹紧工件6。

调整垂直四个连接孔所在平面的筋圆周方向上的一点进行调整后并适当锁紧实现圆周方向的夹紧,从而实现圆周方向夹紧。

综上所述,四点夹持夹具在实际工作时,四个油缸根据指令开始动作,从而对工件6的四个点进行逐步夹紧,即先使用较小的液压压力进行四点位置的适应性试夹,当各部分位置调整舒适后再增大液压压力进行工作夹紧[4],以保证工件6的变形量最小,通过加工后得到符合图样要求的精密零件。

3 结语

该夹具通过采用三组端面夹紧装置及一组圆周方向夹紧装置,对具有四条辐射状筋的薄壁零件进行夹紧,能够有效消除因过定位而引起的夹持变形,又可以获得高的加工精度,较好地解决了生产中的难题。

参考文献

[1]王维.论薄壁零件夹具设计及加工[J].中国高新技术企业,2010(8):35-36.

[2]曹志中.薄壁套类零件精密磨削夹具[J].组合机床与自动化加工技术,2009(9):92-93.

[3]李昌年.机床夹具设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2007.