爬壁机器人前叉架加工工艺方案设计*

郜海超，李志伟

（河南应用技术职业学院机电工程学院，河南 郑州 450042）

0 引言

叉架类零件是工业中常见的零部件，主要起到支承和定位的作用。 本课题来源河南应用技术职业学院青年骨干教师项目，要设计一套风电机爬壁机器人的结构。 根据设计要求，设计的爬壁机器人要能进行转角、越障、翻越内直角、翻越外直角等动作，根据这些特点设计了双吸盘爬壁机器人，通过叉架实现前后吸盘的旋转和定位。 因此，叉架的功能十分重要，设计加工工艺合理、满足使用要求的叉架是本课题研究的一个重要内容[1]。

目前，叉架类零件加工的方法可以通过增材和减材方案加工。 增材加工方案可以通过3D 金属打印的方式进行，但是只能进行产品打样，大批量生产的能力不足；减材方案主要通过机加工切削方案完成零件要求，具体加工方案可以通过铸钢技术，设计专用夹具，通过铣床（铣削加工中心）、磨床最终满足零件设计要求[2]。 本文主要针对减材方案完成爬壁机器人叉架加工要求。

1 零件工艺分析

1.1 零件加工工艺简介

图1 叉架零件图

根据叉架的工作特点，叉架主要用来支撑和定位，但为节省材料和减轻重量，叉架支点位置加工时容易出现加工变形[3]。 因此，加工时要采取合理的加工工艺路线，而依靠通用夹具很难完成叉架的加工，所以选择专用夹具完成叉架的加工。 如图1 所示，图中显示了叉架的二维工程图和三维造型图。

根据叉架的结构特点可以设计两条加工路线：1）叉架立着放，通过专用夹具首先加工叉架的一个端面，然后加工另一个端面，但叉架的内端面无法加工；2）通过专用夹具，工件放置如图1 所示，这样加工可以做到先面后孔，第一道工序加工叉架的8 个表面，第二道工序加工叉架的4个孔，经过工艺分析，选择第二道加工方案，具体工序过程，如表1 所示。

表1 叉架机械加工工序

1.2 切削用量的确定

1）切削深度的确定：切削加工中，切削深度的确定主要取决于刀具直径的大小、切削余量的多少，一般在切削余量确定后，粗加工的切削较深，精加工的切削较浅，根据爬壁机器人的使用要求，叉架选用铝合金材料，因此，切削深度可以设定最大1.5mm，精加工时，加工的余量一般设置在0.1mm～0.2mm，磨削的余量设置在0.02mm。

2）进给量的确定：根据材料的特性，叉架零件首先通过铸造铝合金技术，然后通过铣削加工。 铣削加工时，粗加工进给量设置在1 500mm/min，主轴转速设计在3 000 r/min；精加工进给量设置在3 000mm/min，主轴转速设置在6 000r/min，磨削的转速3 600rpm。

3）切削速度的确定：一般在粗加工速度要低些，精加工速度要高些。 一般速度高些可以减少变形和积屑瘤的产生。 刀具也是确定切削速度确定的重要因素，目前刀具可分为硬质合金、高速钢、钨钢刀等，切削刃分为2 刃、4刃等，选择合适的刀具，可以在切削速度恒定的情况下，改善切削工件表面的质量[4]。

2 爬壁机器人叉架夹具设计

本设计的爬壁机器人叉架材料为铝合金，中小批量生产。

2.1 设计思路

叉架的前道工序为铸造铝合金，本次加工主要为叉架端部的8 个面，钻削4 个孔，因此用通用夹具很难做到中小批量生产，为了提高加工效率，需要设计专用夹具。专用夹具的设计，主要保证限制工件的6 个自由度，利用两个相互垂直的平面分别限制3 个自由度，如图2 所示，定位后还需要设计恰当的夹紧方案。

图2 叉架专用夹具

目前专用夹具设计的夹紧方案主要有液压固定、气压固定、螺栓固定、卡扣固定等，在设计夹紧方案时，需要注意引起夹紧变形的因素和保证受力均衡； 在加工时不能因为切削力的存在引起加工时震动变形等情况发生。为了提高加工效率，本设计方案采用卡扣方案，通过螺栓进一步的固定。

2.2 孔加工夹具方案

对同一个零部件的加工尽量采用同一个专用夹具，这样可以保证孔与面的垂直度，因此对孔的加工依然采用相的夹具。 孔的加工主要采用先采用划线规画出中心点的位置，然后采用样冲冲出位置，采用中心钻，2mm 小钻钻削小孔，然后用O5 钻打孔，磨削孔，最终符合孔加工设计要求。 在扩孔时需要计算用O5 扩孔的切削力，由《机械加工工艺手册》得出[5]。

通过设计专用夹紧力，为了在加工中防止出现夹紧力不足，造成零件震动情况时，应把安全系数考虑在内，在考虑安全系数的情况下，设计的切削力应小于夹紧力，这样才安全。

3 机械加工工艺系统对零件加工质量的影响

3.1 热变形误差影响零件加工质量

在对叉架的端部8 个面进行加工时，因为铣削、钻削、磨削等加工工序时，加工部位会产生大量的热量，这些热量会造成零件产生热变形，降低零件的表面加工质量。 解决方案：1）目前主要采用冷切液，通过液体带走大部分热量从而减少尺寸误差；2）采用新工艺新方法，可以采用“水刀”进行切削，能把热量将到最低。

3.2 受力因素也影响零件加工质量

因工件在切削过程中受到切削力、重力、装夹方案等因素影响，在加工时能达到尺寸精度要求，但当工件拆除以后，原先的平衡力系发生变化，形成新的力系平衡，这样会造成爬壁机器人在运行中越障、 转向等状态受到限制，因此应设置合理的加工工艺方案，避免处理受力不均衡。解决方案：1）对设备定期检修调试，通过磨削、抛光等工艺提高工件与夹具的接触精度；2）设置控制力载荷的定量指标，比如销、压力表等保证里在和在合适的范围内。

3.3 加工工艺时影响零件加工质量的关键

在设计加工工艺时，首先考虑定位基准，在加工时一般考虑基准的统一，设计基准和加工基准统一、工艺基准与设计基准统一等，加工时因为夹具、夹紧力等大小不同，也会造成工件的尺寸误差，影响零件的加工精度。 解决方案：1）制定合理加工工艺，设计好尺寸链，降低尺寸几何误差对尺寸精度的影响；2）提高加工者的技能水平，使加工者明白解决工艺对加工质量影响的因素。

4 结语

综上所述，机械加工的重要前提是做好机械加工工艺，机械加工工艺的参数要随着现代制造工艺的发展而改变。 现代数控技术的发展，主轴转速和进给量都会得到很大的提高，零件表面的质量和加工效率也得到很大的提高，因此，要求机械从业人员要熟悉机械加工流程，根据产品形状的特点制定夹具的结构形状，设计的夹具要保证自由度限制和夹紧力，这样才能保证零件加工质量。