钻孔夹具的制造工艺过程

朱锋

【摘 要】在飞机制造行业中，孔类零件加工精度要求高、难度大，在飞机零部件中占据相当重要的一部分。如使用普通机床直接加工，不仅耗费巨大的资源，而且经常会无法达到工艺要求。夹具的采用不仅可以控制加工的精度，还可以在批量生产过程中节省大量的资源：使产品具有更好的互换性，甚至能够解决普通机械加工无法直接加工的孔。本文通过对一套典型钻孔夹具工装的加工工艺分析及制造过程中一些关键问题的处理，对钻孔类夹具的加工工艺进行剖析和总结，并对设计思路提出了自己的见解。旨在通过探究，优化钻孔类夹具设计，对定位的方式、公差的标注及设计布局做出合理的选择，以期获得更好的制造工艺性及使用高效性。

【关键词】钻孔夹具；设计；制造；工艺方法

1 夹具类型

夹具按钻模板分类，一般可分为：固定式、分离悬挂式、铰链连接可翻转式。

（1）固定式：固定式钻模板定位精度高，一般采用螺销结构与夹具本体连接；或者做成一体式。

（2）分离悬挂式：此种方式钻模板可以与夹具体分离，悬挂在机床上，但是会使得机床占用，耗费资源。

（3）铰链连接可翻转式：此种方式有利于工件的安装摆放，但是加工精度低、操作复杂。

在飞机制造行业中，工件加工精度要求高，所以一般采用固定式结构即如下图：

图1 螺栓连接 图2 一体式结构

上两种结构形式中，图1所示结构为可分离式结构，此种结构方便加工、返工，而图2所示的结构加工难度大，不利于返工。因此一般采用图1所示的螺销结构。

本文所探讨的即为螺栓连接的分离式钻孔夹具的加工工艺。

2 工艺分析

如图3所示为一个钻孔夹具的二维图，虚线部分为需要制孔的产品。根据图纸分析工装功能：通过三个插销定位产品，压板夹紧。手枪钻通过钻套孔制出产品上的孔，且在图1的上侧孔为斜孔。

本工装采用钻模板和夹具体螺销连接，具有如下优点：

（1）方便拆装和返修；

（2）便于制造；

（3）避免整体式夹具设计结构浪费材料、降低生产成本，提高了效率。

以三销一面定位方式，避免了以面面接触定位可能造成的过定位问题。在加工过程中，有如下几个方面的问题需要解决：

图3

1）设计钻模板过厚，沉孔过深，钻套孔尺寸较小，可能会造成钻套孔因位置太深而镗刀尺寸不满足使用要求。

（1）若沉孔和钻套孔一次性加工，可能会造成钻模板变形，进而引起底板的变形。

（2）图纸要求DA孔位置度为？覬0.06，钻套孔位置度？覬0.1。且有一部分孔为斜孔，精度要求较高，且为360°的加工范围，若用卧式镗床加工孔，则需要旋转四次，多次装夹、找正会造成基准不重合；且对于有角度的孔，还需要借助销棒或球头来转换基准，从而带来很大的工作量，最终也不一定能保证满足孔位公差要求。若采用五轴数控机床加工，可以一次装夹、找正，将四面的孔一次性加工出来，这在很大程度上避免了重复找正带来的精度误差，而且数控镗铣床的定位精度和加工精度相对普通的镗床也较高。

（3）由于本夹具的外形尺寸较大，考虑到普通镗床适合加工尺寸较小的零件，大尺寸工件可能会有超程的问题。

（4）反复装夹、找正的过程，对人力要求较高，而数控加工会减少人的额外工作量，从而缩短装夹次数和时间，提高了生产效率。

通過工艺分析，为满足设计及使用要求，现确定工艺方法如下：

（1）铣床将底板及钻模板外形做到尺寸，钻模板1、4上的避让销钉槽做出。

（2）将钻模板1、2、4上的底孔？10做出。

（3）磨床将底板及钻模板厚度面光出。

（4）镗床将底板上的定位销孔镗出、并和定位销配合。

（5）螺、销连接钻模板及夹具体底板。此过程中应注意避免底板和钻模板变形。

（6）数控加工前，校核底板及钻模板的变形情况、丝表检查底板的平面度和平行度是否满足设计要求。若不满足要求，则需要拆掉钻模板，重新上磨床，使其达到公差要求。

（7）数控加工钻模板1、2、3、4上的孔？覬6H7。其中，钻模板3外形由于为曲面，且孔为斜孔，普通机床不好加工，故沉孔在之前工序中并未加工。通过数控机床使用CYCLE83钻深孔模块循环来进行沉孔的加工，控制钻模板的变形（深孔排屑加工方法）。？覬6H7的孔一律采用先钻底孔？覬5、？覬5.5，然后镗孔至尺寸的方法，确保孔的位置度能够最尽量保证。

待数控加工完成，修边倒锐、清理干净后，送测量部门进行检测。

3 测量数据分析

3.1 测量机简介

三坐标测量机是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量机。可定义“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统（如光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点（x，y，z）及各项功能测量的仪器”。

3.2 测量机工作原理

三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台（大型和巨型不一定有），测量球头可以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的测量装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向，通过测头接触工件并发出接触信号时，由控制系统采集当前坐标位置相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统处理数据。

三坐标测量机对孔位的测量是基于两点一线原理：通过测量球头来测量孔位不同深度的两个位置的圆心位置作为基点，两点的连线即为实际孔的轴线，在测量部门，由三坐标测量机通过测量程序测量加工出来的孔位，并通过计算圆心，得出实际孔的中心。endprint

以图3中的三个定位销孔的圆心建立基准，孔1、2连线为X轴，孔3在X轴的投影为原点，Z0在底板的上表面。测量部门根据测量计划进行测量，并输出测量报告。根据测量报告，将测量孔位数据进行整理，在CATIA的“Digitized Shape Editor”模块下，以.CGO格式将点位数据导入CATIA中，使用“Deviation Analysis”命令，与理论轴线相对比。如图4所示。

通过计算分析，得到有色温偏差带，颜色越深，代表偏差越大：其中，超差的点占28%左右，超差最大的点与理论轴线偏了0.165。通过分析超差点位发现，孔位的偏差并不具有规律性，在四块钻模板上的孔均有局部超差。必须要进行超差孔的修正，以使其满足设计需求。

4 返修处理

一般对于孔位超差的夹具有两种返修方式：

4.1 返修基准

如图5所示，当孔为出现整体超差现象，且孔位的偏差方向一致，超差较为均匀，可以判断加工时候零件可能移位，或者是测量基准出现偏差。可通过返修基准的方式来解决。此种方式对于孔位较多的夹具返修，具有很好的效果，减小了返修工作量，提高效率。

4.2 返修超差孔

當局部孔位出现超差时，如果想要通过移动基准的方式返修，可能会造成未超差的孔位超差，因此，可以针对超差孔来进行单独返修。

4.3 综合返修

当超差孔位较多，且方向和超差量不均匀时，可以考虑采取两者综合的方式进行返修，即通过移动基准，是大部分的孔位值在公差范围内，局部超差孔位单独返修，此种方法适用于孔分布方向较为单一的夹具，且需借助CATIA的模块“Digitized Shape Editor”里的最佳拟合“Align by Best Fit”及“Deviation Analysis”命令来进行分析和对比，过程较为复杂。

针对本文所举例夹具的结构特点，在四周的钻模板都有孔位超差，且方向不一致，靠移动基准来使超差孔满足设计公差不现实，因此采取单修超差孔的方式进行返修。

即以3个销钉孔建立加工基准，将需要返修的孔位在数模上标记出来，然后编制超差孔加工程序，将超差孔孔径扩大，保证孔位。然后配做衬套，外径以实际尺寸配磨，内径以理论的导孔磨出，最后以紧配合的方式镶套。

返修后测量结果如图6所示：孔位均在公差要求范围内，符合设计要求。

5 总结

通过本夹具的制造工艺过程，思考、总结了如下几个方面的问题：

图6

作为工艺人员，需要具备的基本能力：

1）看懂图纸设计意图，明白工装的功能，并能对设计过程中存在的问题进行分析和总结。

就本夹具而言，钻模板的厚度在满足设计强度要求的情况下，设计过厚：

（1）会造成材料的浪费，与设计经济性原则不符合；

（2）会增加制造工艺过程的难度和制造成本，与制造工艺性的简单易操作不符合；

（3）夹具的重量过大，在使用过程中增加使用者劳动强度，即从人机工程学角度上不符合。

2）在制造工艺过程中：

（1）要弄清楚设计的目的、工装的功能，这样才能保证制造结果满足设计功能要求；

（2）要根据现场设备的加工能力及操作人员的技能水平，合理安排工艺过程；

（3）要严格控制工艺过程，加工精度要求高的工序过程实现可管控。

（4）要能够及时解决现场出现的各种技术问题。

3）在测量分析过程中：

（1）读懂测量数据；

（2）针对测量数据超差值部分进行分析，判断可能存在的原因：是工艺过程不合理、还是现场操作人员的问题、抑或是设计不合理造成的？

（3）根据分析的原因制定工装返修方案；

因此，设计是制造的基础，一个好的设计必须在满足使用要求的情况充分的考虑制造的可行性和加工的工艺性。如果一味的提高要求，或者在设计的过程中某些地方不合理，就会增加加工的困难，还会使得产品的不合格率提高，影响工厂效率，增加了生产成本。所以，产品的设计人员必须要有过硬的理论知识，但同时也要有充分的现场经验，这样在设计的过程中才能做到“瞻前顾后”。

工艺是一个承上启下的岗位：上至设计，下至现场操作和现场质量控制都必须要有工艺的衔接。如何将顶层设计的思路转化为现场的工艺？这要求我们必须要认真阅读图纸，而且必须要理解并读透图纸。在技术要求的传递过程当中工艺员应该充分使得过程简单、优化。然而，一个好的工艺员必须要有经验的积累过程，所以平时需要多深入现场，汲取经验，才能使编出的工艺在实际加工中得到较好的运用，不能光纸上谈兵。在制造行业，我们必须保持一贯的良好作风，脚踏实地，努力勤奋。只有不断的学习，总结经验，相互探讨，将理论和实践相互结合，才能在制造的这条道路上越走越顺，才能够成为一名合格的制造工程师。

【参考文献】

[1]江继波.《上海交通大学硕士论文》，HW公司柔性制造策略研究，2008.06.01.

[2]机械设计手册（电子版）电子工业出版社中国机械工程学会，2007（1）.

[3]汪建红，丁建波，邓昌义，李俊，卫昭新.核燃料组件骨架全自动测量设备研制，《自动化与仪器仪表》，2013.01.25.

[4]贺东波.论三坐标测量机的测量数据误差分析与改正《计量与测试技术》，2011.06.30.endprint