基于薄壁壳体结构的环形加强筋加工快换工装设计与应用

2020-10-13王文君

科技创新与生产力 2020年10期

亓立，王文君

（1.山西工程职业学院，山西太原 030027；2.山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

水下装备试验件存在诸多不同型号的薄壁壳体或圆锥筒形零件，为增强圆筒强度，常设计有环形加强筋[1]。通常该类型结构壳体壁较薄、长度大，在加工过程中及产品成型后，环形加强筋对于薄壁壳体整体强度以及刚度都起着至关重要的作用[2]。因此，环形加强筋也就成为各型薄壁壳体结构中的重要零件之一[3]。针对环形加强筋需求数量大，形状尺寸相对严格稳定[4]，因此，需要设计一种快换工装以能够提高大批量环形加强筋的机加效率。

1 环形加强筋传统加工工艺与技术问题

薄壁壳体结构中，用到了大量环形加强筋[5]，其结构见图1，各组螺纹孔的定位基准为水平中心线，弧形流水槽的定位基准为竖直中心线。

根据产品设计要求，环形加强筋的机加工序包括以下3 个加工内容：一是划十字中心线；二是制内圆四组径向螺纹孔；三是制外圆R4 流水槽。传统机加工艺中需要采取3 个工步分别进行加工，首先利用钢板尺、直角尺配合划针在工件端面划十字中心线及径向孔基准定位线，为后续制螺纹孔、流水槽留加工基准。下一工步中，将加强筋装夹固定后，将制流水槽的样板工装放置在加强筋流水槽的实际位置并进行固定，根据工装上的孔制流水槽成。最后，将加强筋固定在钳工工作平台上，工人根据螺纹孔基准线制螺纹底孔。由此可见，传统加工工艺中工步较多，工件定位与找正繁琐，加工工时耗费较多。同时在批量加工加强筋时，受人为因素影响大，容易产生定位偏差与尺寸超差。综合来看，传统工艺加工效率低，影响生产进度，对产品质量的保证也存在一定不确定因素。如果使用数控镗铣床加工环形加强筋，虽然可以在一个工步内完成所有加工内容，但由于加强筋加工数量众多，在不采用提前划线的前提下，定位与装夹则需要花费大量的时间。结合目前企业车间的普遍生产能力来看，该加工工艺方案占据了数控机床大量加工时间，不仅降低了机床的使用效率，而且大幅度提高了加工成本。

2 环形加强筋快换工装设计与应用

2.1 环形加强筋快换工装结构组成

基于传统机加工艺与数控机床机加工艺均无法满足降本、提质、增效的生产要求，设计提出环形加强筋加工快换工装。根据加强筋自身结构特点，结合加强筋在薄壁壳体中的装配状态，以环形加强筋一端面为平面定位基准，以内圆作为径向定位基准，设计得到的快换工装的具体结构见图2。

图2 环形加强筋快换工装结构示意图

图2 中，工装整体由一个主结构、制孔模块、划线模块以及流水槽加工模块组成。压板锁紧孔5与螺钉配合，用于固定待加工加强筋；制孔钻套3定位加强筋径向孔的中心孔；划线样柱4 完成划线过程；流水槽加工模由图中6，7，8 三部分组成，用于完成环形加强筋流水槽的加工。

2.2 环形加强筋快换工装操作步骤

1）快换工装加工环形加强筋时，首先将加强筋准确放置于快换工作主结构的限位槽中，主结构内表面可以为加强筋快速定位提供基准，确保加工基准准确可靠[2]。

2）找正后的加强筋四周通过4×M10 的螺钉配合四块压板锁紧。

3）利用钢板尺及工装上的4 个划线样柱为基准在加强筋上划十字中心线。

4）利用手电钻及制孔钻套制加强筋径向孔的中心孔。

5）最后将制流水槽模块插入控位槽中，该模块一端靠紧划线样柱后，利用限位螺钉紧固该模块，随后用手电钻通过模块上的流水槽样孔制流水槽即可。

由此可见，该类型工装结构设计可实现环形加强筋的一体成型，大大缩减了成型时间和工序。并且该类工装可根据实际需要的不同型号的环形加强筋，设备组成不变，只需变换工装主结构尺寸及其他位置特征，就能批量高效制作出适应不同薄壁壳体的环形加强筋。

2.3 环形加强筋快换工装设计创新点

1）新设计的加工加强筋多功能型装置可以同时实现划线、制螺纹孔、制流水槽3 个工步；操作简便快捷，省时省力，加工效率大幅度提升。

2）新设计加工加强筋多功能型装置定位精度高，其中定位包括：划线时通过划线样柱定位；制螺纹底孔时，有专用钻套，保证手电钻制孔时的稳定性及方向性；制流水槽时，通过划线样柱、限位螺钉高精度定位。通过该装置加工后的孔、流水槽的尺寸及形位公差均满足了产品图纸要求，产品质量有了大幅度的提升。

3）利用新设计多功能型装置加工加强筋不仅效率高，而且可以节省加工成本，提高数控设备的使用效率。

2.4 环形加强筋快换工装应用效果

选取120 件精车完的加强筋作为试验件，平均分成3 组，且成品状态一致，利用新设计的多功能型快换工装、钳工传统工艺方法、数控设备分别对3 组试验件进行加工，试验数据见表1。

表1 不同方法下加强筋加工成本及合格率

通过采用3 种不同加工方法加工相同数量的试件，结果表明：一是利用多功能型快换工装及数控设备加工的工件均较钳工通过传统工艺加工的工件合格率有明显的提高。二是利用多功能型快换工装较利用数控设备加工工件，效率可提升2.5 倍；较钳工通过传统工艺加工工件，效率提升将近4 倍。三是利用多功能型快换工装较利用数控设备加工工件，加工成本降低了5 倍；较钳工通过传统工艺加工工件，加工成本降低了2 倍。