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摘要：弯管类零件在机械加工环节中常用到的零件之一，其加工工艺尤其是装夹定位难的问题一直没有得到有效解决。传统弯管类零件的装夹方式各有优势与不足，虽然不断改进，但是始终未能脱离采用专用偏心工装的处理方式，造成工装制造成本高、周期长和可重复利用率低等问题。针对弯管类零件的产品结构、加工工艺和数控车床功能，采用特制柔性工装，将数控车床原有的液压三爪自定心卡盘改进为柔性四爪单动卡盘结构，解决了弯管类零件裝夹定位难、制造偏心胎浪费时间与成本高的问题，为弯管类零件的生产加工提供了有效可靠的新途径。
关键词：弯管类零件；柔性工装设计；应用
引言
在我国机械加工技术的持续创新的背景下，使得产品加工精度与生产效率必须要不断提升。从 ２００４ 年至今，在工艺装备设计中常见的弯管类零件的加工工艺经历了多次创新改革，由最初的四爪单动卡盘找正发展到涨口心轴装夹，由偏心开口胎正装转变为偏心开口胎反装。随着装夹方式不断改进，实际加工效果有所提升；但是，改进过程中始终没有离开工装的使用。而在实际工程实践中工装的设计及制作周期较长，既造成资源浪费，又影响生产。偏心胎的制造生产大大制约了弯管类零件的加工生产进度，当频繁使用偏心胎工装时，工装开口弹性变小，造成无法正常取卸零件，需要重新更换工装。生产现场一般都预先备用大量偏心胎以供弯管类零件的加工使用。
1柔性工装关概念及原理研究
1.1柔性工装概念
柔性工装是指基于弹性体曲面柔性定位技术实现零件的生产或组装，并在计算机支持下，将柔性控制单元作为平台，借助调整、控制等手段来动态生产所需的工装定位，其可适应多种研发和生产制造要求技术和装配。柔性工装系统主要是由定位夹持机构，控制系统、动力系统几个部分构成，可免除设计和制造中的固定型架、夹具等，能够全面降低工装制造成本，达到缩减工装准备周期的目的，推动装配生产的效率。柔性工装是在相关关键技术的支持下完成，如下为具体柔性工装关键技术：（1）模块化技术。具备独立的设计单元模块，任意一个的模块单元，均符合装配实际的功能需求。（2）结构优化设计技术。可实现工装结构的优化，确保装配工作在规定时间内高效完成，并增强结构强度与稳定性，综合提升工装质量。（3）仿真测试技术。针对复杂结构装配，可借助零件的仿真分析，对其具体的强度、昂度等展开分析，确保实际装配的正确性。（4）控制技术。借助数控系统，可综合提升装配精确度，并能实现自动化调节，确保单元结构发展。
1.2柔性工装柔性定位原理
柔性定位的原理是基于多点技术，其是由日本学者提出，并由国内吉林大学李哲明对其进一步深入研究，并提出“多点形成”方法。多点形成的基本构想是将传统整体式模具替换为由多个高度可调的基本体组成可变化离散曲面形成“柔性多点模具”。这样，则能够实现形状变换，目标曲面调整、模具型面。该项技术具有较高的应用价值，广泛用于高铁、建筑、医学等领域。此外，多点柔性支撑方法是建立在“多点技术”的基础上，其将传统支撑方法替换为多点柔性支撑方法。其主要思想是将传统支撑工装的整体支撑面离散为多个支撑点，并完成对具体部件支撑站位的拟合。这一过程中，每个离散支撑点均为独立可调的，且其均可以理解为单个柔性支撑装置，可组成多点柔性支撑列阵。
2 弯管类零件传统装夹方式
2.1四爪单动卡盘找正
运用四爪单动卡盘找正的方法装夹定位（如图一），即使设备简单，然而每次裝夹零件时都需要重新对刀找正，费时费力；另外，在加工零件时，由于存在偏心，背吃刀量与转速不可过大，生产效率较低。
（如图一）四爪单动卡盘找正
2.2开口胎与涨口心轴
运用开口胎与涨口心轴配合的装夹方式加工，可以通过开口胎裝夹零件外圆，车内孔；利用涨口心轴撑内孔，车外圆。采用开口胎与涨口心轴配合的装夹方式，工序增加，必然要延长加工时间。制造工装浪费时间（制造周期约为４ｈ），成本较高。加工范围也受限于开口胎与涨口心轴的尺寸，当伸出端较短时，无法利用开口胎裝夹外圆；当弯管内孔 ＜１０ｍｍ 时，无法利用涨口心轴撑内孔。
2.3偏心开口胎正装
运用偏心开口胎正装实施装夹定位，制造工耗时过长（制造周期约为 ４ｈ），成本较高；另外，工装质量不稳定，精度不易保证，直接影响后续弯管零件的加工质量。从装夹效果来讲，采用偏心开口胎正装进行装夹定位，零件装夹面积有限，若零件伸出部位过长或端部需要滚花，则会由于前端受力大造成零件偏斜，无法达到精度要求。
3新型工装结构设计
3.1结构设计
针对弯管类零件的新型工装的工作原理如下：卡盘上有３个拉紧螺钉，利用其中一个拉紧螺钉安装定位板，作为零件一个端面定位面；根据不同零件，定位板可上下调节；为了考虑平衡问题，在此工装对面位置加置平衡块，配重均衡后可保证转速达到３ ０００ｒ ／ ｍｉｎ以上时仍可安全生产。平衡块及定位板结构位置。
3.2 生成构成零件的各曲面间的拓扑信息
在仿真系统对外部图形文件进行正确读取后，弯管零件表示为一个个零散的曲面。生成加工工艺信息的第一部是将各零散的曲面进行排序，该信息用于确定加工工序、加工步的排列次序。
3.2.1曲面类型的确定
组成弯管各曲面的类型可简单的由该曲面的次数确定。如该曲面某一参数方向的次数为 1，则可断定该曲面为圆柱面；否则，该曲面为圆环面。
3.2.2搜索初始圆柱面
任意空间圆可由圆心坐标、半径及该圆所在平面的单位法矢唯一确定。在计算机中，弯管零件表示为由圆柱面与圆环面交替构成的不封闭的几何形体。如果一圆柱面是初始或最后的圆柱面，则在构成该圆柱面的参数v 值为0或1的两条u线中，必有一条不位于其它圆环面上，由该条件确定首尾圆柱面。方法是搜索组成弯管零件的所有圆柱面，求出 v 值为 0与 1的两条 u参数线的圆心和半径与该u 线所在平面的单位法矢，与各圆环面的 v 值为0与1的两条 u 线各对应值进行比较，如某一圆的三个参数值唯一，则可确定该圆柱面为初始圆柱面。
式（1）、（2）、（3）中，O 为圆心，γ为半径，n为圆所在平面的单位法矢。
3.2.3将各曲面排序
1）将初始圆柱面的序号定为 1；2）搜索其余各面，从中找到下述曲面，该曲面的某条 v参数值为 0或 1 的 u 参数线与前一曲面未定义曲线重合，将该 u 参数线标识为已定义曲线，将另一条 u参数线标识为未定义曲线，将该曲面的序号取为前一曲面的序号加 1；3）重复步骤 2，对弯管的所有组成面排序。
结语
通过针对弯管类零件工装的创新设计，采用平衡块与定位板相结合的独特结构设计，将数控机床原有的液压三爪自定心卡盘改进为四爪单动卡盘结构，解决了弯管类零件装夹定位难、制造偏心胎浪费时间与成本高的问题。本文设计的针对弯管类零件的新型工装结构及其设计方法，为解决弯管类零件的上述问题提供了革新性的有效途径，在同类零件的生产加工领域具有参考意义及推广价值。
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论文作者:叶海燕
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/20
标签：工装论文; 零件论文; 柔性论文; 曲面论文; 圆柱面论文; 弯管论文; 偏心论文; 《防护工程》2018年第6期论文;