基于状态变化的通用夹具系统的研究与应用

基于状态变化的通用夹具系统的研究与应用

全球化的市场竞争和技术进步对制造业产生了重大变化。为了对变化多端的市场作出敏捷的响应,缩短新产品试制时间,使产品的生产成本与生产批量无关,高效率的、柔性定位与夹紧技术的研究与应用正在成为国内外研究人员关注的热点之一。1材料填充part技术夹具与机械制造业的发展是同步的,大批量生产模式时期提出了专门化、自动化夹具的要求,多品种、小批量生产模式则发展了组合夹具、成组专用夹具和柔性夹具,随着数控加工等高速自动化设备的飞速发展,人们又致力于非传统概念的高效率通用夹具安装技术的研究与应用。基于状态变化的装夹(phasechangebasedfixturing,PCBF)技术是一种非传统的工件安装技术。PCBF将工件放在箱体内,通过填料的注入和凝固夹紧工件。PCBF技术包括温度感应(temperatureinduced)和伪状态变化(pseudophasechange)2个主要分支。温度感应技术通常采用低熔点的填充材料,包括热塑性材料和易熔合金等。Boyes和Stangrom等采用电流变流体(electrorheological)作为温度感应状态变化填充材料的替代品。但由于电流变流体在高压下的拉伸强度低,而无法用于切削加工。基于伪状态变化的夹具采用液化底座技术(fluidizedbedtechnique),通过使用球状颗粒实现工件夹紧。遗憾的是,这些夹具技术不能很好地解决工件加工中的多次安装问题。基准自由的零件密封技术(referencefreepartencapsulation,RFPE)是Sarma和Wright提出的一种安装技术新概念,是PCBF技术的发展。采用RFPE夹具加工时,当需要进行工序或安装转换时,通过再一次的材料填充,恢复工件夹具系统的原有形状,通过填充实体表面保留工件最初的位置信息,以作为新的安装过程中工件定位的线索。基于RFPE技术,笔者提出并研制了一种能够快速寻位和状态记忆(rapidlocationandstatememory,RL&SM)的通用夹具系统。2rlsm通用夹紧系统2.1工件/夹具的通过测量与检测,实现通过合理的定位与成RL&SM通用夹具系统采用规范化的板块结构,构成可拆卸的RL&SM箱体,作为通用夹具系统在机床上快速寻位的基准和记忆工件初始安装信息的实体模型;箱体的各个板块上装有可便利调节的工件寻位元件,其固定后的实际位置通过测量获得,并由数据采集系统送入信息处理系统;工件通过寻位元件确定其在箱体中的初始位置,预紧后注入低熔点合金凝固形成工件的初始安装姿态,使工件、填料和箱体形成一个整体——工件/夹具系统;箱体通过其规则的外部表面、定向键和压板机构,在机床上实现快速定位与夹紧;当需要进行工序或安装转换时,翻转工件/夹具系统,完成规则箱体在机床上的定位与夹紧。图1为分离式双箱结构的RL&SM寻位箱,箱体的各块板通过柱销定位连接,上箱和下箱之间则通过键实现定位连接,以保证重复装配时的效率和准确性。2.2快速寻位系统图2给出了RL&SM通用夹具系统的基本组成及其功能。该夹具系统由工件安装系统、状态成形系统、快速寻位系统和信息处理系统四大部分组成。工件安装系统包括RL&SM箱体、工件寻位元件和预紧元件等,其主要功能是通过寻位元件和预紧元件实现工件在寻位箱体中的快速定位和预夹紧;状态成形系统包括低温加热炉、低熔点合金填料和填料浇注工具等,其主要功能是在不同的工序或安装过程中,通过填料浇注工具和填充材料,保持工件在箱体中的初始安装姿态不发生改变(即记忆工件的初始安装状态);快速寻位系统包括箱体寻位系统、寻位元件测定系统和数据采集系统,其中箱体寻位系统实质上是一个模拟机床安装基准的系统,以测定寻位箱及其相关元件的位置,形成工件安装状态的计算模型;信息处理系统则由微机和信息处理软件组成,信息处理软件根据CAD、CAPP系统提供的零件设计与工艺要求及其数据采集系统提供的工件初始安装位置信息(工件定位基准和箱体定位基准信息),综合处理给出生成NC刀位文件所需要的位置参数。2.3工件/夹具的安装采用RL&SM通用夹具系统的主要工作步骤如下:(1)根据工件形状及其设计要求,选择合适的RL&SM寻位箱,布置并安装定位元件;(2)基于快速寻位系统,确定定位元件(点)相对箱体坐标原点的位置,并将该信息输出到信息处理系统,以此确定即将安装在寻位箱内的工件初始位置;(3)根据零件设计、工艺过程规划要求和初始定位信息等生成NC代码;(4)将工件放入寻位箱中主动寻位(与定位元件接触)并预紧,完成工件的安装;(5)注入低熔点合金,填充寻位箱与工件间的空隙,凝固后形成工件/夹具系统;(6)在机床上安装箱体系统,并将安装信息输入到信息处理系统;(7)完成一次安装或一道工序的加工,如果不需要进行安装或工序转换,则转(9);(8)补充注入低熔点合金,恢复(记忆)工件/夹具系统的初始状态,转(6);(9)溶解填料,取出完成全部加工要求的零件。3rlsm安装系统的开发要点(1)填料过厚的影响通常,可以通过增加寻位箱的品种与规格,满足不同形状规格的工件和不同安装特点的工序要求,但这将增加寻位箱的设计、制造、管理费用和周期。然而,减少箱体规格又必然使部分工件安装出现填料过厚的问题,它不但造成了填料的浪费,增加了不必要的填料加工,而且过厚的填料将引起额外的加工误差。为了减少填料用量和对填料的切削加工,最大限度地控制寻位箱种类规格,笔者提出了可变容积的箱体结构,即允许箱体的容积按零件最小包围盒尺寸作相应变化的结构。(2)在寻位箱及设备中的应用为了使箱体在必要时方便地脱离固体状态的填料,以便使刀具可以从不同方位面的不同位置顺利地进入安装系统进行切削加工,为了使寻位箱板块拆卸后能准确复位,将可制造性(DFM)、可拆装性(DFA)和可重复利用性(DFR)等技术用于安装系统的设计。例如,采用插件式定位组合结构,实现分离箱体或箱体板块的快速分离与组合;通过配合结构的标准化设计,实现任意板块的自由组合;将可修复结构用于易损组合构件的设计,以提高构件的使用寿命等。(3)主要技术指标的确定在安装转换中,安装系统依靠寻位箱的基准面和定向键实现在机床上的快速定位,因此相关表面的平面度、两两平面间的平行度或垂直度要求是安装系统的主要技术指标。采用40Cr或20CrMnTi或45钢等作为箱体材料,并通过相应的热处理,保持箱体的耐磨性和精度稳定性等性能。4工程应用和分析在理论研究和实验分析的基础上,以机械手肘关节座、鞍形转子和机加工叶片等零件为对象,开展了RL&SM通用夹具系统的工程应用。(1)面。表面这是一个由非加工表面形成外部轮廓的零件,其加工特征分布在不同的方位面上,并具有相互位置精度要求。采用RL&SM通用夹具系统,工件只需要安装一次(不再需要工艺基准),两次安装RL&SM箱体即可实现全部加工,图3给出了采用RL&SM夹具系统进行机械手肘关节座加工的工艺过程。(2)基于rl&sm通用夹具的成形工艺这是一个具有双曲面外轮廓的高速回转件(见图4)。环壁薄、精度要求高,由于加工时易于产生变形,传统生产中采用互为基准、反复进行工序转换加工成形的方法,不仅加工效率低,而且需要各种专用工装,采用柱形的RL&SM通用夹具,通过填料增加了工件的刚性,避免了互为基准反复加工的工艺过程,减少工序转换次数,提高切削效率,减少了专用工装的花费,即设计、制造周期和成本等。(3)实验数据分析叶片(铝制)是一个具有复杂曲面的小刚性零件(见图5)。采用RL&SM通用夹具系统除了可以节省原材料,减少辅助加工和安装转换次数,而且由于提高了工件支承刚度,切削用量可以大大提高,切削效率可提高3倍以上,并使加工质量明显得到改善,加工实验数据和对比分析详见文献。5rl&sm通用夹具系统的工程应用RL&SM通用夹具系统的研究与实践已取得了重要进展,其中包括RL&SM箱体的通用性,与夹具原始误差无关的RL&SM箱体生成技术,填料性能的研究与填料的研制,填料工艺及其参数的研究与控制等。工程验证和部分工程应用结果表明,RL&SM通用夹