一种滑动锁紧装置的创新设计与数控加工方法

2012-01-25郭燕伶朱江江

制造业自动化 2012年12期

关键词：内螺纹支撑杆套筒

刘杰，郭燕伶，朱江江

（广州番禺职业技术学院机电系，广州 511483）

0 引言

该装置是一台改装冲压机拉深过程测试设备上使用的，作用是使控制手柄能够在支撑杆上移动并可随意固定在任一位置上，要求滑动灵活，锁紧可靠。外形有椭圆和抛物线要求。材料：硬铝。

1 方案设计

该装置附着于一根Φ24的长支撑杆上，要求滑动和锁紧。可行性方案有三个。

第一个方案是最易想到的，在一个套筒侧面打孔，并加螺栓，套筒滑动到锁紧位置时，旋紧侧面的螺栓，使之与中间的支撑杆相抵实现锁紧。此方案的缺点是对中间支撑杆有伤害，且装置表面突出螺栓后，操作不便也易使操作者受伤。

第二个方案是，保持套筒外形完整（不开孔），在套筒内部想办法，即在大套筒的内部做一个小套筒。小套筒采用有良好弹性的橡胶材料。大套筒分成上下两部分，采用螺纹连接。在旋进螺纹时，使小套筒挤压变形，与中间的支撑杆接触达到互相锁止的目的。如图1所示。

该方案的难点在于中间橡胶小套筒的加工制造。由于橡胶本身的弹性，无论是车削还是铣削，刀具弹刀严重，所要求的内外尺寸很难达到要求。尤其是内孔的表面粗糙度过大，与支撑杆接触后滑动不畅。分析方案二的问题，改进措施有两个，一是可先加工一根外圆直径等于橡胶内孔直径的铁棒，把铁棒加热后，伸入橡胶中使橡胶融化形成内孔。试验结果是铁棒与橡胶接触后，橡胶受力偏离，最终孔与外形的同轴度很差。另外一个措施是采用模具注塑出橡胶套筒。产品质量绝对可以保证，但这只适用于大批量的生产，单件制造的成本过高。

图1 设计方案二

最终的方案三如图2所示。套筒仍然采用上下两件螺纹连接，内螺纹构件中间通孔上端收缩为锥度孔。做4个圆心角相加为340度的楔片（此楔片前端也带有锥度）。当外螺纹构件旋入时，推动4个楔片沿着内螺纹构件锥度孔前进。由于4个楔片的总角度小于360度，楔片与楔片件有间隙。沿内螺纹构件锥度孔前进过程中，间隙减小从而对中间支撑杆形成合围收缩，达到了压紧锁止的目的。

图2 设计方案三

2 基于Top-down设计思想的结构设计

机构的原理设计完成后，接下来就是具体的结构和尺寸设计。该项目除中间支撑杆直径Φ24这一限定条件外，整个滑动锁紧装置的结构和尺寸均为自行设计和确定。鉴于此，应采用Topdown（自上而下）的设计方法。目前的产品设计方法（或过程）主要有两类，一类是Bottom-up（自底向上），另一类即Top-down（自上而下）。Bottom-up主要思路是先分别设计好各个零件，然后将这些零件装配在一起。如果装配过程中零件发生了干涉或装配完成后要修改设计意图，将要对几乎所有零件进行修改，哪怕这种变动只是其中一个微不足道的零件引起的。可想而知，这种方法使用在成熟产品设计上是高效的，但在创新设计阶段，由修改导致的巨额工作量是灾难性的。这种方法也不能完全发挥现在流行三维设计软件的功能[1]。

Top-down（自上而下）是一种先进的产品设计方法。它在产品设计的初期就按照产品的功能要求先定义产品架构并考虑组件与零件、零件与零件的定位和约束关系，各零件以参数化的方式联系在一起，而不仅仅是装配关系。在完成整体方案设计和结构设计后，还可对单个零件进行细化设计[2]。其优越性尤其体现在，单独修改某一零件的尺寸后，与其相关的其他零件的尺寸会自动发生变化。不必再修改其他零件。可见这种设计方法最大程度地减少了设计阶段不必要的重复工作，提高了设计效率。

由于Pro/E软件（美国参数化公司推出）以图元参数化见长，所以能够非常完美的支持和配合Top-down设计方法。具体到本例，首先在组件状态下新建一个.asm文件，然后用“组件状态下创建元件”的方法依次完成所有零件。其中，Φ24支撑杆的形状和尺寸是预先给定的，是整个部件设计中“基础零件”，要首先完成。后续自定义的其他所有零件都直接或间接地与它相关。这种相关性通过Pro/E的“参照”来实现。假如我们的设计初衷改变了，即某一被参照零件的的形状或尺寸发生了变化，则其他后续建立的相关零件会自动发生变化（包括形状、尺寸及各零件间的位置关系）。要实现以上这些智能化设计变更的前提是正确设置各零件间的参照，以及各零件设计的先后次序。本装置中各零件的设计次序应该是：①支撑杆→②内螺纹构件→③楔块→④外螺纹构件。各零件间的重要参照关系如图3所示。

按上述要点完成整个装置的三维设计后，可在组件状态下单独打开每个零件，并保存为.prt文件。然后，新建一个.dwt文件，可以把每个零件的三维图转为二维工程图或把整个三维装配图转为二维装配图，可以为后续的数控和常规机加工提供图纸参考[3]。经过完善后的内螺纹构件零件图如图4所示。自此，整个装置的图形设计阶段完成。

3 数控加工方法

3.1 零件加工难点及解决方案

1）在内外螺纹两个构件上有一段共同的椭圆轮廓。为保证两个构件上椭圆轮廓的一致性，除椭圆轮廓以外所有外加工面和内孔轮廓都要先加工出来，然后两构件螺纹配合，再通过装夹外螺纹构件的方式一次性完成两个零件的椭圆轮廓加工。

图3 零件设计顺序及参照关系

图4 内螺纹构件工程图

2）内螺纹构件轴端有单边为1.75mm的薄壁，两构件配合后加工长度超过100mm，加工十分困难。应考虑先做一条工艺轴，放入后，再用顶尖，才能达到公差要求。

3）构件上存在椭圆与抛物线等复杂曲线轮廓，对编程要求高。手动和自动编程均可，建议优先采用软件自动编程，以保证加工精度和加工质量。

3.2 加工工艺设计

1）机床选择

根据零件的精度要求与轮廓形状分析，选择了沈阳机床厂的HTC2050斜床身全功能数控车床进行加工，系统配备为华中HNC-22T。HTC2050斜床身数控车床具备有液压卡盘、12工位刀架和恒线速车削功能，能满足零件的精度要求与表面精度的控制。

2）定位和装夹方式

HTC2050斜床身全功能数控车床采用液压压盘与尾座。针对内螺纹构件轴端加工到最后为单边1.75mm的薄壁，并且两构件配合后加工长度超过100mm的问题，我们把事先做好的一条与内孔紧密配合的工艺轴放入其中，并在工艺轴上钻顶尖孔，最后采用“一夹一顶”的方式进行加工。

3）加工工序

根据以上的零件结构和工艺分析，可确定内螺纹构件加工工序如表1所示。

3.3 数控编程

依据以上工艺分析，内螺纹构件的内轮廓加工的关键程序如下[4]：

表1 内螺纹构件加工工序卡片

G76C1A60X36Z-24K1.299U-0.1V0.1Q0.4F2（G76螺纹加工循环指令，C：精加工次数，A：螺纹角度，X：内螺纹顶径，Z：内螺纹Z向终点坐标，K：螺纹高度，U：精加工余量，V：最小切深，Q：第一刀切深，F：螺纹导程）

G0X100Z100（退刀）

M05（主轴停止）

M30（程序结束）

内外螺纹两个构件上共同的椭圆轮廓，既可以用软件自动编程，也可以用手工编程。程序如下[5]：

4 结束语

该滑动锁紧装置的设计制造大致可分为四个阶段：方案设计、结构设计、图纸设计和数控加工。在方案设计阶段通过对比分析三种滑动锁紧装置，从而提出最符合使用要求的新思路，新方案。体现了创新中继承，继承中创新的现代设计方法。在结构设计上，采用强有力的三维设计软件，贯彻先进的Top-down设计思想完成，非常有利于体现设计者意图并使后续的修改变得简单易行。数控加工阶段克服了几个加工难点，可以作为类似加工素材的参考。整个装置加工完成后如图5所示。