無(wú)基準(zhǔn)工件封裝夾具的研究

無(wú)基準(zhǔn)工件封裝夾具的研究

1iiin,rfpeimp/rops夾具可靠性的發(fā)展和制造系統(tǒng)的發(fā)展是同步進(jìn)行的。大批量生產(chǎn)模式提出了專門化、自動(dòng)化夾具的要求。多品種小批量生產(chǎn)模式,則發(fā)展了組合夾具、成組專用夾具及柔性?shī)A具。當(dāng)前,敏捷制造作為面向21世紀(jì)的制造模式,對(duì)夾具又提出了新的要求。無(wú)基準(zhǔn)工件封裝(ReferenceFreePartEncapsulation,RFPE)夾具正是這種面向新制造模式的通用夾具新概念。RFPE夾具是建立在狀態(tài)變化夾具(PhaseChangeBasedFixturing,PCBF)基礎(chǔ)上的。PCBF是一種典型的通用夾具,它通過(guò)填料的狀態(tài)變化,解決任意形狀工件的夾緊問(wèn)題。這種技術(shù)將工件放入箱體內(nèi),澆入熔化的合金,通過(guò)合金凝固,實(shí)現(xiàn)工件固定。PCBF已在許多工業(yè)國(guó)家廣泛應(yīng)用。我國(guó)航空工業(yè)也曾應(yīng)用該技術(shù)對(duì)鎳基渦輪葉片的葉冠和榫頭進(jìn)行批量加工。但采用PCBF技術(shù),要根據(jù)工件的形狀和待加工表面多次定制專用的定位裝置,才能保證工件毛坯在PCBF中的正確位置。通常,工件加工的不同工序需要不同的定位裝置。顯然,每轉(zhuǎn)換一次工序,都會(huì)丟失上一工序的定位信息,需要對(duì)工件重新定位。這種反復(fù)多次定位需要耗費(fèi)許多人力、物力,使PCBF的應(yīng)用受到一定限制。RFPE通過(guò)無(wú)基準(zhǔn)工件的連續(xù)封裝,解決了PCBF的多次重復(fù)定位問(wèn)題,大大提高了夾具對(duì)單件小批量和任意形狀工件定位與夾緊的反應(yīng)速度,對(duì)實(shí)現(xiàn)敏捷制造具有重要意義。2rfpe夾具加工的基本原理RFPE夾具由夾具體(實(shí)體框架等)、工件和填料組成形狀規(guī)則的立方體,稱之為RFPE實(shí)體,該實(shí)體作為工件在機(jī)床上定位和夾緊的基準(zhǔn),對(duì)工件進(jìn)行加工。當(dāng)完成一個(gè)工序的加工后,在RFPE實(shí)體位置重新注入填料,恢復(fù)RFPE實(shí)體的形狀,重新進(jìn)行新的安裝。顯然,采用RFPE夾具完成工件一個(gè)工序的加工后,通過(guò)重新注入填料,使工件相對(duì)RFPE實(shí)體(基準(zhǔn))的位置保持不變。圖1表示了采用RFPE夾具加工的基本原理。其中:①毛坯和填料組成RFPE實(shí)體,并以RFPE實(shí)體表面作基準(zhǔn),在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)定位與夾緊(安裝);②對(duì)工件進(jìn)行切削加工;③完成一個(gè)工序后,若還需進(jìn)行下一工序,則向RFPE實(shí)體重新注入填料;④、⑤恢復(fù)RFPE實(shí)體初始尺寸;⑥實(shí)現(xiàn)RFPE實(shí)體的重新安裝;⑦繼續(xù)進(jìn)行切削加工;⑧工件加工完畢,熔化填料,取出工件。3rf零件的實(shí)現(xiàn)技術(shù)RFPE夾具的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要集中在三個(gè)方面,即初始RFPE實(shí)體、填充材料的性質(zhì)和RFPE支持技術(shù)。3.1工件特征的加工在RFPE箱體內(nèi),工件與凝固的填料組成初始RFPE實(shí)體。影響RFPE初始實(shí)體的生成及其后續(xù)操作的關(guān)鍵是工件的定位問(wèn)題。工件在RFPE夾具中的定位通常有兩種情況:①工件從毛坯加工開(kāi)始,就使用RFPE夾具,即使用RFPE夾具加工工件的最初形狀特征和其后的其他形狀特征;②工件在使用RFPE夾具前,已使用其他安裝方法完成工件部分形狀特征的加工,故工件在RFPE夾具中的定位需要參考已有的形狀特征,以保證后續(xù)加工與已有形狀特征組成正確的位置關(guān)系。對(duì)第一種情況,毛坯在RFPE實(shí)體內(nèi)的定位是否準(zhǔn)確并不重要,只要在規(guī)定的范圍內(nèi)保證工件的加工余量就可以了;對(duì)第二種情況,工件定位需要參考已有的加工特征,因此工件定位的準(zhǔn)確性,將影響工件后續(xù)加工的準(zhǔn)確性。以上兩種情況,都需要為工件定制定位裝置。一旦工件毛坯在RFPE夾具中確定位置后,則工件在以后工序的加工中,相對(duì)夾具基準(zhǔn)的位置始終不變。無(wú)論經(jīng)過(guò)多少次工序轉(zhuǎn)換,都不再需要對(duì)工件進(jìn)行重新定位。顯然,若需加工工件上用于定位的表面,則需要重新安裝工件。3.2rfpe夾具使用注意事項(xiàng)填充材料在RFPE夾具中具有重要作用,這不但是因?yàn)镽FPE夾具通過(guò)填充材料實(shí)現(xiàn)工件封裝、夾緊,而且還要通過(guò)填充材料的再注入,使工件與填充材料組成的實(shí)體恢復(fù)到初始安裝狀態(tài)。RFPE夾具對(duì)填料的基本要求包括:(1)低熔點(diǎn)溫度填料在低熔點(diǎn)溫度下的狀態(tài)變化(液態(tài)、固態(tài)),可以減少或避免工件和夾具系統(tǒng)的受熱氧化與變形。(2)一定的強(qiáng)度與剛度填料的強(qiáng)度與剛度,將影響工件在RFPE夾具內(nèi)的夾緊效果。雖然填料的強(qiáng)度與剛度通常比工具鋼低,但RFPE夾具中工件與夾具的接觸面積大,故夾具實(shí)際的平均壓強(qiáng)要比傳統(tǒng)夾具低得多。(3)填料狀態(tài)變化應(yīng)不影響工件質(zhì)量如表面光潔度、硬度等。填料應(yīng)具有易于從工件表面清除的易脫離性,不易在工件表面產(chǎn)生粘連。(4)好的混合切削性能填料在固化后,與工件一起組成工件填料實(shí)體,易于切削。(5)填料狀態(tài)變化要快,以提高生產(chǎn)效率。(6)很好的可逆性經(jīng)過(guò)多次狀態(tài)變化,不改變填料本身的性質(zhì),便于填料重用。Sarma和Wright等采用Rigidax合金作填料,加工不同材料工件。當(dāng)填料厚度減少時(shí),工件誤差變大;在填料厚度基本不變的情況下,當(dāng)工件變大時(shí),工件誤差減小。收縮是RFPE夾具出現(xiàn)誤差的主要原因之一。熱塑性材料Rigidax收縮變形5%,比易熔合金CerroTru等大得多(0.05%)。收縮使初始箱體的參考表面變形,但這一問(wèn)題可通過(guò)RFPE支持技術(shù)(SupportedRFPE)適當(dāng)解決。漂移(drift)是重新注入填料時(shí)工件的移動(dòng)。它主要是由于在填料溶化與未溶化的交界處存在局部融化帶而引起的。在無(wú)支持的RFPE斷面處,毛坯漂移可達(dá)25mm。避免漂移是一個(gè)難題,Sarma等提出使用高熔點(diǎn)的填料并加快冷卻速度等方法來(lái)控制工件的漂移。3.3填料表面結(jié)構(gòu)對(duì)加工的影響RFPE夾具的重要概念之一是在不同的安裝轉(zhuǎn)換中,通過(guò)保持準(zhǔn)確的RFPE實(shí)體形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)工件位置坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,RFPE實(shí)體的準(zhǔn)確性是保證工件加工準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。但工件與填料實(shí)體表面產(chǎn)生的沉陷與變形等,將使工件-填料的參考表面不可靠。RFPE的支持技術(shù)通過(guò)解決填料的沉陷變形等問(wèn)題,使工件加工的準(zhǔn)確性與RFPE夾具的精度無(wú)關(guān)。(1)填料級(jí)布置實(shí)體框架(solid-cage)由一組邊框組成。它構(gòu)成支持(放置)工件、填料的RFPE夾具體,實(shí)體框架為RFPE提供了基本參考表面,基于實(shí)體框架,可以實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床上的準(zhǔn)確定位,填料的收縮并不影響RFPE基本參考表面的準(zhǔn)確性。(2)填料支持框架d毛坯封裝(stock-enclosed)是使用毛坯本身作為填料的支持框架。一般先將毛坯加工到規(guī)范的立方體形狀,并以毛坯表面作為RFPE實(shí)體的參考表面。(3)維加工2.5維RFPE主要用于2.5維加工的情況。2.5維加工時(shí),刀具只在工件的一個(gè)方向(如Z方向)運(yùn)動(dòng)。填料的注入也只在工件的一個(gè)方向進(jìn)行,如圖2所示。4加工工藝在機(jī)械拋光過(guò)程中,其重點(diǎn)在于利用rfpe技術(shù)的特點(diǎn)RFPE技術(shù)解決了以往狀態(tài)變化夾具沒(méi)有解決的問(wèn)題,其主要貢獻(xiàn)在于:①工件在工序(或安裝)轉(zhuǎn)換中不需要重新定位;②消除了用于工件定位與夾緊的工藝要素,從而節(jié)省了為生成這些要素而進(jìn)行的加工和安裝操作;③簡(jiǎn)化和規(guī)范了工件的安裝工藝,有利于實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、工藝安裝方案設(shè)計(jì)與工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的并行作業(yè);④在保證工件加工精度的情況下,高效率地加工需要通過(guò)多次安裝的薄、細(xì)等低剛度工件;⑤工件的安裝與調(diào)整可離線進(jìn)行(不占用制造設(shè)備),從而可以大大提高機(jī)床的利用率。RFPE技術(shù)的不足在于:①當(dāng)將熔融填料注入RFPE夾具時(shí),工件在夾具中產(chǎn)生漂移;②當(dāng)采用RFPE夾具對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí),RFPE夾具的定位裝置或結(jié)構(gòu)將限制機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng),使機(jī)床無(wú)法加工工件的某些特征(包括定位表面上的特征)。在這種情況下,通常應(yīng)將工件從夾具中取出重新安裝,才能繼續(xù)加工;③定位裝置或RFPE夾具的原始誤差,通常影響工件的加工精度,特別是工件的部分特征在使用RFPE夾具之前已加工完成的情況下,其影響尤其顯著。針對(duì)RFPE技術(shù)存在的不足,文獻(xiàn)提出了主動(dòng)尋位的工件安裝概念和基于規(guī)范化板塊任意組裝的箱體生成技術(shù)(RapidLocationandStateMemory,RL&SM)夾具(也稱快速尋位和狀態(tài)記憶夾具),并進(jìn)行了RL&SM夾具工業(yè)化應(yīng)用研究。5rl&sm編接合裝置RL&SM夾具采用規(guī)范的板塊、易于拆卸的RL&SM箱體,即尋位箱組成,作為工件主動(dòng)尋位和夾具在機(jī)床上定位的基準(zhǔn),并使其成為記憶工件初始安裝信息的計(jì)算模型;箱體板塊上裝有便于調(diào)節(jié)的尋位(定位)元件陣列,其固定后的位置,經(jīng)測(cè)量并由數(shù)據(jù)采集裝置輸入信息處理系統(tǒng);工件通過(guò)尋位元件,確定其在箱體中的初始位置,當(dāng)注入填料后,使工件、填料和箱體組成RL&SM實(shí)體;箱體通過(guò)其規(guī)則外部表面、定向鍵和壓板機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)其在機(jī)床上的快速定位和夾緊;當(dāng)需要進(jìn)行工序或安裝轉(zhuǎn)換時(shí),翻轉(zhuǎn)RL&SM實(shí)體,并完成RL&SM箱體在機(jī)床上安裝。圖3給出了分離式雙箱結(jié)構(gòu)RL&SM箱體,箱體的各板塊通過(guò)柱銷定位連接,上下箱之間通過(guò)鍵實(shí)現(xiàn)定位連接,以保證重復(fù)裝配時(shí)的效率和準(zhǔn)確性。圖4為RL&SM通用夾具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。6保證零件制造質(zhì)量RL&SM夾具已在復(fù)雜零件的加工中得到應(yīng)用。圖5給出了因操作事故發(fā)生斷裂損壞的投梭滑塊。該零件是進(jìn)口片梭織機(jī)中的關(guān)鍵零件,形狀復(fù)雜、加工型面壁薄,且具有較高的形狀位置精度,材料為軸承鋼。采用傳統(tǒng)裝夾方式加工,易產(chǎn)生變形;制作專用夾具,不僅周期長(zhǎng),而且加工成本高。采用RL&SM夾具,在保證零件加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上,可使制造費(fèi)用降低到進(jìn)口價(jià)格的1/3,大大縮短了零件的制造周期,最大限度地減少因停工造成的損失。圖6為采用RL&SM通用夾具加工的投梭滑塊。7基于rl&sm夾具的智能手機(jī)與現(xiàn)有的基于狀態(tài)變化的夾具系統(tǒng)相比,RL&SM夾具有以下創(chuàng)新點(diǎn):(1)基于RL&SM夾具箱體的定位元件陣列,解決了RFPE夾具沒(méi)有解決的工件的定位問(wèn)題,而不需要制作專門的定位裝置。(2)基于RL&SM夾具箱體各板塊上的定位結(jié)構(gòu),既實(shí)現(xiàn)了不同安裝位置下工件定位表面的轉(zhuǎn)換,又解決了RFPE夾具沒(méi)有解決的工件漂移問(wèn)題。(3)根據(jù)可拆卸箱體板塊和定位元件結(jié)構(gòu),解決了RFPE夾具沒(méi)有解決的刀具沿任意方向進(jìn)入工件任意表面加工的問(wèn)題(包括工件的定位表面)。(4)基于RL&SM夾具的主動(dòng)尋位技術(shù),消除了工件的初始定位誤差,消除了由定位裝置帶來(lái)的定位誤差。RL&SM夾具的研究與應(yīng)用,對(duì)實(shí)現(xiàn)敏捷制造具有以下重要意義:(1)RL&SM夾具的應(yīng)用,不但解決了部分無(wú)法或很難用傳統(tǒng)夾具實(shí)現(xiàn)定位與夾緊的工件,如葉片、異型桿件和薄壁零件等,而且解決了任意形狀工件的快速定位問(wèn)題,特別適合小批量單件定制工件的加工。(2)采用RL&SM夾具,通過(guò)主動(dòng)尋位,使工件的定位精度與夾具或定位元件的原始誤差無(wú)關(guān);通過(guò)不同安裝位置下定位表面的轉(zhuǎn)化,解決毛坯的漂移和沉陷問(wèn)題;對(duì)多工序轉(zhuǎn)換加工的工件只需一次工件安裝,即可完成所有表面的加工,大大提高了加工質(zhì)量和效率。(3)采用R