异形偏心零件的动平衡调节工装的设计及应用＊

高 源 张小飞 杨培辉 崔 涛 李 杰 吴伟宏 张 鹏 王永国

（①上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444；②西安航天发动机有限公司，陕西 西安 710000）

对于车削偏心结构的零部件，零件的加工质量和切削加工效率一直备受关注。车床装卡零件的通用夹具为三爪卡盘、四爪卡盘，在切削加工过程中对零件只起夹紧定位作用[1]，对于偏心结构件的切削效率作用之微弱，众所周知。故而对于偏心结构件的车削加工，都会设计专用公装[2-6]，以克服车削加工过程中零件做回转运动时产生的动不平衡，从而实现保证产品质量的同时提升加工效率。对于工装的设计与研发，既要考虑工装对产品的夹紧与定位的便捷性和可靠性，还要实现工装对产品的夹紧力的准确预设[7]。但是通用工装也有其不可避免的弊病，其通用性不强，不适合小批量生产的零件加工，更适用于专用机床加工专用零件，或大批量生产加工的场合[8]。

航天发动机的主要结构件材料有高温合金、钛合金及高强不锈钢等难加工材料，其中很多泵体为焊接组合件，体型庞大、结构偏心，尤其在立式车床加工偏心结构的零件，其加工效率受到回转过程中离心力的限制，转速较低。面对当前航天产业迅速发展的新机遇，对航天发动机结构件制造企业的高效加工能力提出了高标准、严要求，企业必须不断改进工艺方法，引入新的技术和理念，寻求更加高效的工艺方案以提高生产效率，才能满足生产任务的按时交付[9]。

本文提出了对于车削某一款回转类偏心零件的加工效率有效提升的工艺方法-设计了专用工装。通过配置配重块，可有效调节零件自身的动不平衡，采用多点辅助支撑，对零件进行全约束，赋以厚实的底台，设有对零件实现Z向微调的机制，增加零件加工系统整体刚性的同时，工装亦可灵活调节，最终大幅提升加工效率。通过静力学仿真，预测了零件的实际加工最高转速，并进行了实验验证。

1 工装设计

1.1 零件分析

本文研究的加工零件属于航天某型号发动机产品上的关键零件，整体为高强不锈钢材料的焊接组合件，结构偏心（如图1a 所示），案例中所研究零件重心在当前坐标系下的坐标为：（-53.674，196.297，-16.877），重心向Z轴负向偏移16.887个单位，向X轴负向偏移53.674 个单位（如图1b所示）。其主要材料去除发生在零件内腔，且主要材料去除在立式数控车床完成。因鲜明的偏心结构特征，零件做回转运动时会产生不可避免的离心力，加工转速越高，需克服的离心力越大，在没有外界支撑的情况下，零件所发生的变形和位移越大，即产品的不合格率风险增加，这严重限制了现场的生产效率。

图1 零件模型重心分析（模型已简化处理）

零件生产效率低是诸多原因综合作用导致，零件自身材料为高强不锈钢材料，属于难加工材料，对于刀具的耐用度有着巨大考验。刀具寿命低，将导致刀具的频繁更换，机床停机的频次增加，致使生产效率低。鲜明的偏心结构亦是限制零件高效加工的主要原因之一，结构偏心，导致零件做回转运动时转速低，现场该零件加工时转速只能达到25 r/min，转速再增高，将面临零件加工超差的风险。切削加工参数低，致使零件生产效率低。当然，现场量具的准备不充分，零件加工后的手动去毛刺，刀具最优选择的情况下，亦难实现加工断屑，操作工勾屑也占用一定时间等等。综合因素下，导致该零件的生产效率低。在保证零件生产质量的前提下，单个零件生产成本可控范围内，设计一种适合该零件的高效加工工艺方法迫在眉睫。

设计针对该款零件的专用工装，有效克服零件加工过程中的离心力，实现零件的动不平衡调节，从而提升零件的切削加工转速，进而可服务于后期刀具的优化，可完善切削参数，最终实现零件的生产效率的大幅提升。所以提出设计并开发专用工装的工艺方法，实现零件的保质提效。

1.2 工装设计

在机械加工工装夹具设计方面，需要结合加工实际情况设计工装夹具结构，尽可能避免采用复杂结构，以便使夹具设计成本降至最低，并且做到迅速完成工装夹具操作[10]。做好工装夹具定位设计，可以实现工件自由度有效控制，使机床、刀具和工件都处于准确位置，确保机械加工精度满足要求。经前节1.1 中对零件结构的分析，零件整体重心向X轴负向（弯管悬出向）和Z轴负向偏移，工装的增设需有效调节零件工作中的动不平衡，配置配重块，以平衡离心力。考虑零件的加工场合为立式数控车床，零件做回转运动，故将工装外形设计为回转体。结合工装与零件的连接方式，因零件为高精密产品，尺寸精度要求较严，需加强零件自由度管控，能够保证定位合理。采用六点定位法提供6 个支撑点，能够避免工件自由度过高，在三维角度精准确定夹具位置，可以实现工件高精度加工。定位支撑点以浮动块的形式，通过弹簧机制，保证浮动块与零件充分接触，可实现对零件的严格限位，但对零件自由状态下所施加的外力可忽略不计。综合考虑工装整体结构的可靠性，耐用度以及对于操作工的安装便利性，结合实际加工环境、工作状态，参考机床夹具设计手册[10]，设计如图2 所示的专用工装。

图2 专用工装的三维模型

1.3 工装装配与使用

工装与零件的装配模型如图3a 所示，零件与工装实物装配如图3b 所示。图2 定义了工装的每个组成构件，构件9(底胎)与零件地相想接触，设有粗定位环，便于零件快速找正。构件9 上同时设有构件10(微调机制)，因零件为焊接组合件，每一个零件加工前的状态不一致，端面会有0.02～0.07 mm的跳动，构件10 可便于零件找平端面。其中外框架（由构件4(一层连接盘)、构件5(二层连接盘)、构件6（配重块）、构件9(底胎)、构件10(4 个微调机制)和构件13(4 根立柱)组成）只需一次装配，每一次使用无需拆卸。外框架由吊车置于机床转台中心，由压板压紧构件9(底胎)，工装即被固定。将零件自上而下落入工装外框架内腔，并使零件底面置于构件9(底胎)粗定位环内，找正零件后，从构件9(底胎)的4 个U 型槽伸入压板压紧零件底面端面，固定零件。盖上构件1(盖板)，4 个构件2(锁紧螺栓)将构件1(盖板)与构件4(一层连接盘)固定。松开构件3(锁紧螺钉)，构件12(弹簧)顶出构件11(浮动块)，使构件11(浮动块)与零件外圆面接触，再锁紧构件3(锁紧螺钉)，固定构件11(浮动块)，充分限制零件在回转过程中及切削加工过程中发生偏移。最后安装构件7(弯管支撑)和构件8(弯管顶紧)，对零件弯管在旋转过程的切向进行限位，尽可能减小弯管所产生的应力和形变，从而保证零件加工部位的最小应力和形变。

图3 工装与零件的装配图

2 静力学分析

本研究初衷是开发某型号发动机的关键零件的高效加工工艺，相比原有的加工工艺，要在产品质量有保障、生产成本可控的前提下，加工效率有显著提升。在本研究正式投产前，做充分的理论分析，包括工装与零件的装配状态下的静力学分析，充分考量工装的可靠性及本加工工艺方法的可行性，对本加工工艺方法可实现的提效指标有初始的预期，同时对实际加工时的切削参数给予一定参考。

分别将单独零件和零件与工装的装配体导入Workbench 环境，对其进行前处理：设置约束和工况，不装置工装时，零件实际加工时，用压板压紧零件底端端面，故仿真环境将其边界条件设置为5自由度约束，仅释放其轴向旋转自由度。装置工装时，将零件底端与工装构件9(底胎)上端面做接触连接，再将构件9(底胎)下端面和圆柱面进行约束，其中端面释放轴向旋转自由度，其他自由度均约束。再转入求解器求解。根据零件的实际生产工艺要求，精加工时需保证所有内型和端面跳动量均为0.02 mm以内。现场实际的切削加工转速为25 r/min，在不装配工装的情况下，对其进行静力学仿真分析。

据图4 的仿真结果，零件整体在转速25 r/min时，最大应力出现在弯管出口靠近末端的内壁处，最大应力2.93 MPa。最大位移发生在弯管出口最边缘，最大位移0.006 4 mm。由于主要关注的分析对象为零件的加工部位，即零件内腔和端面。故根据零件加工部位的局部分析，内型和最大应力出现在靠近弯管的端面和内型处，为1.36 MPa。最大位移发生处在最大应力出现处周边，最大位移为0.001 8 mm。

图4 无工装应力与位移云图（a 为应力，b 为位移，仿真转速为25 r/min）

从不加工装的零件进行静力学仿真分析结果看，在25 r/min 的转速下，零件加工部位的最大位移仅为0.001 8 mm ≪0.02 mm。对零件在该状态下的最大应力和最大位移值，加以零件零件大幅提效的迫切需求综合考虑后，对加工装和不加工装两种状态下的零件分别选用转速70 r/min、90 r/min 和120 r/min进行仿真分析。

通过对单独零件和工装与零件装配后的静力学仿真分析，图5、图7 和图9 为无工装状态下，分别以转速70 r/min，90 r/min、120 r/min 进行的仿真应力和位移云图，图6、图8 和图10 为配置工装状态下，分别以转速70 r/min，90 r/min、120 r/min 进行的仿真应力和位移云图。随着转速的提升，零件产生的应力增加，发生的位移也会越来越大。二者的一致之处在于，最大应力出现的位置都在零件最外围，即弯管出口外缘处，当转速达到70 r/min 时，无工装零件最大应力为23.02 MPa，装配工装后零件最大应力为23.12 MPa，二者应力值相近。在该转速下，无工装零件加工部位最大位移为0.012 mm＜0.02 mm，装配工装后零件加工部位最大位移为0.002 mm＜0.02 mm，如此可得出：本研究的专用工装对于该零件高转速的切削加工有着显著作用。当转速提升至120 r/min 时，无工装零件加工部位最大位移为0.035 mm＞0.02 mm，已超出工艺要求。装配工装后零件加工部位最大位移为0.007 mm＜0.02 mm，体现出本研究在高转速下的可靠性，可坚实保证零件的尺寸稳定性。

图5 无工装应力与位移云图（a 为应力，b 为位移，仿真转速为70 r/min）

图6 装配工装应力与位移云图（a 为应力，b 为位移，仿真转速为70 r/min）

图8 装配工装应力与位移云图（a 为应力，b 为位移，仿真转速为90 r/min）

图9 无工装应力与位移云图（a 为应力，b 为位移，仿真转速为120 r/min）

图10 装配工装应力与位移云图（a 为应力，b 为位移，仿真转速为120 r/min）

仿真的部分未能实现高转速运转后，零件在拆除工装后处于自由状态下的实际端面和内孔的跳动量的计算。另外本次仿真试验只是装配体的高速运转仿真，并没有实际的切削加工环节，切削加工过程中的切削力对零件状态的影响，以及切削力和工装的约束的综合影响，在本次仿真中未能体现。故在实际切削实验时，切削参数选择上会相对保守。

3 实验验证

根据第2 章中的仿真结论，配置工装时，在理想装配的情况下，转速可实现120 r/min，零件加工部位变形满足工艺要求。但实际切削加工过程是一个多因素耦合的复杂切削过程，考虑工装与零件装配的精确性，切削过程刀具的状态，以及切削力和切削温度对零件加工部位的尺寸精度和位置度的影响，在实际切削试验中，为保证产品件的精度要求，加工出的零件为合格产品，其半精加工转速选用70 r/min，精加工转速选用50 r/min。

本实验在台湾立式车床（TongTai TVL-120CM）上完成。采用压板压紧工装至机床工作台面，零件与工装底部采用压板压紧连接。加工前找正零件内孔和端面，二者跳动量均为0.01 mm。考虑仿真所用模型属于理想型，连接程度也为理想型，结合实际切削加工时的零件状态，遂决定半精车去余量，除过孔位置外，转速70 r/min，进给速度0.1 mm/r，相比原转速25 r/min，进给速度0.1 mm/r，转速提升1.8 倍（工装拆除前后的内孔外圆跳动量对比，试验结果与仿真结果做对比）。精车时转速50 r/min，进给速度0.06～0.1 mm/r，相比原转速25 r/min，进给速度0.06～0.1 mm/r，转速提升1 倍。总体来看，纯切削加工时间缩短至少一半。

所有加工部位结束后，拆除工装前，端面（最上面端面）跳动量0.005 mm。内孔（ϕ274 mm）跳动量为0.005 mm。内孔（ϕ81 mm）跳动量为0.005 mm，与第2 章中转速70 r/min 的仿真结果0.002 mm的最大位移量很接近，同时验证了仿真结果的可靠性。释放工装与零件接触的浮动块的约束和零件与工装底胎处连接的压板约束，使零件完全处于自由状态下，测其端面跳动量为0.005 mm，内孔跳动量为0.005 mm，完全满足工艺要求，测量过程如图11所示。后续经多个产品件的加工验证，专用工装在经过高转速切削加工后，零件的尺寸精度均满足工艺要求。后续随着工装与零件的磨合期的延长，操作工对工装的熟悉了解程度，实际切削加工效率可逐步提高。

图11 拆除工装与零件接触的浮动块进行端面内孔测量

4 结语

通过对航天某型号发动机的关键零件进行工艺方案改进，研究出适用的专用工装。通过仿真分析，为实际切削加工时的切削转速提供了理论参考，同时预估了实际切削加工过程中的加工风险点。最终通过切削加工实验验证，仿真的结果具备很强的参考价值，通过对工装的逐步完善，其切削加工时间将得以大幅降低。

（1）对零件装配专用工装后进行了静力学仿真，其转速达到120 r/min 时，加工部位最大变形量为0.007 mm，低于工艺要求0.02 mm。而无专用工装在相同转速下，其仿真结果中加工部位最大变形量为0.031 mm，超过工艺要求0.02 mm。

（2）通过产品件实验，考虑现实加工的影响因素的复杂性，实际切削参数较为保守，最终实验切削参数为半精加工时转速70 r/min，精车时转速50 r/min，进给速度均为0.06～0.1 mm/r，通过对加工后的零件的内孔和端面跳动量的检测，其跳动值0.005 mm 与70 r/min 时的仿真结果中的零件加工部位最大位移值0.002 mm 很接近，验证了仿真结果的可靠性，相比原工艺加工效率提升1 倍，产品质量满足工艺要求。