洪斯玮,张国强
（宁德职业技术学院 机电工程系，福建 福安 355000）
随着人们生活水平的提高及亚健康人群的增加，越来越多的人选择按摩椅进行保健.福建闽东是中国按摩椅的核心产区，按摩椅涡轮箱又是按摩椅的核心部件，是涡杆、揉捏轴和敲击轴的安装载体.若涡轮箱的加工质量达不到工艺要求，按摩椅易出现噪音、震动及轴承损坏等问题，涡轮箱是目前按摩椅最主要的故障集中区.2015 年以来，许多学者都对其进行了研究.彭晨晨［1］对按摩椅3D 机芯的结构进行总体设计，优化设计了各功能机构，同时对其运动学和可靠性进行了仿真及有限元分析；
王福东、王旭等［2-5］分别对叶轮、异形零件、小型整体叶盘、汽油机叶片的四轴加工工艺进行分析、编程与多轴仿真加工；
王秋莲等［6］分别应用响应面法和人工蜂群算法对数控车削工艺参数进行优化，秦洪浪等［7］研究了实时采集指令域示波器在线优化数控铣床加工参数；
刘海亮等［8］为提高汽油机活塞数控车削加工的质量和生产效率，提出了基于非支配排序差分进化算法的多目标优化方法与基于加权相对距离的决策方法.以上研究主要对按摩椅机芯结构、四轴的加工工艺及特定数控加工工艺的参数进行优化，并未针对按摩椅涡轮箱的加工工艺进行研究.涡轮箱除尺寸精度及表面质量要求高外，几何公差要求同样较高，而目前闽东地区涡轮箱的加工工艺普遍采用工序分散式，即采用数控车削或三轴加工中心多次装夹加工，工艺实施过程中存在多次定位误差、夹紧误差等问题，造成涡轮箱三个重要孔的中心距超差、轴线间的垂直度或平行度不达标等问题［9-10］，产品合格率低，生产成本高，本文提出四轴数控加工技术以解决上述问题.
涡轮箱零件图纸如图1.通过分析零件图纸，将影响涡轮箱质量的重要尺寸及形位公差进行整理，涡轮箱的主要加工内容见表1.
表1 涡轮箱主要加工内容
图1 涡轮箱零件图纸
1.1 尺寸精度
1.2 几何精度
三个孔各自两个轴承位的同轴度为0.008 mm 和0.012 mm，由于铝材料装夹易变形，因此工装设计时一般不采用孔的外轮廓为夹紧位置，避免变形超差；
孔（蜗杆）两轴线的垂直度公差为0.025 mm，（揉捏轴）两轴线的平行度公差为0.015 mm，这就要求最好在一次装夹中把三个孔都加工出来，如果工艺条件不允许，则要尽量减少装夹次数，提高二次及三次装夹的定位精度.
1.3 表面质量
三个孔的表面粗糙度均为1.6 μm，精加工需采用金刚石刀，并要求断屑、排屑好，避免断屑在加工孔内影响表面质量，要求冷却条件好.
2.1 数控车床的加工工艺
使用沈阳CK4085 数控车床，配广数GT980TDI 系统，根据数控车床的加工工艺特点，要加工该涡轮箱，需采用花盘工装，对应三个孔需3 副工装，分3 道工序进行加工.根据3 个孔的精度要求，优先加工高精度的孔，具体工序见表2.
表2 数控车削加工工艺
2.2 三轴加工中心的加工工艺
使用南通航智VMCL850 的三轴加工中心，根据三轴加工中心的加工工艺特点，三孔加工需分2 道工序，设计制造2 副工装.为提高生产效率，基于所用三轴加工中心的大小及零件结构，设计制造的工装有10 个工位，具体工序见表3.
表3 三轴加工中心的加工工艺
2.3 四轴加工中心的三孔加工工艺
使用南通航智VMCL850 的四轴加工中心，转轴为A 轴，根据四轴加工中心的工艺特点，三孔加工只需1 道工序，1 副工装.根据实际生产机床的大小、零件结构和加工内容，采用双排对布，每排5 个，两排共10 个，A 轴需三个方向定向加工，具体工序见表4.
表4 四轴加工工艺
2.4 三种加工工艺对比分析
主要从加工效益、加工质量及劳动强度方面对不同数控加工工艺进行比较［11］，其中加工效率由产量体现，加工质量由合格率体现，劳动强度由装夹次数体现，由于本次比较的不同数控加工工艺的设备使用数量相差较大，对数控技术人员要求差异高，因此将机床数、技术要求两项作为对比参数进行工艺比较.三种加工工艺比较结果见表5，其中生产率、合格率由福安高斯电子有限公司、福建酉合电气有限公司、福安万里电机有限公司及宁德职业技术学院协同创新公共平台的量产数据得来.
表5 三种加工工艺的比较
分析表5 可知：
1）加工质量.装夹次数越多，垂直度和平行度两个形位公差的要求越难保证，加上材质本身是铸铝，夹紧过程容易变形，导致产品合格率：数控车床＜三轴加工中心＜四轴加工中心；
2）加工效益.按当前数控市场行情，对于相同级别的数控机床，数控车床价格≈1/3 三轴加工中心价格≈1/4 四轴加工中心的价格，工装数比3∶2∶1，从投入的角度看三种工艺差别不大；
对操作人数的需求一样，但生产率方面，数控车床＜三轴加工中心＜四轴加工中心；
3）技术要求.对于开发的技术要求，数控车床＜三轴加工中心＜四轴加工中心，闽东地区对四轴加工工艺的掌握相对较为薄弱，很多公司在复杂的自动化工装夹具和四轴加工编程方面技术积累不足，这也是其选择相对简单的数控车床或三轴加工中心的主要原因.
通过对三种加工工艺的比较，在该涡轮箱的生产中，四轴加工中心虽然对技术要求较高，但生产效益好、合格率高.基于学院协同创新公共平台的四轴加工机床参数见表6，拟定的四轴加工工艺流程［12-14］见表7.
表6 四轴加工中心主要参数
表7 按摩椅涡轮箱加工工艺流程
续表7
设计对应的气动工装夹具，编制加工程序并实现该涡轮箱的量产，如图2、图3.
图2 四轴加工工艺的生产应用
图3 采用四轴加工工艺的涡轮箱生产现场
本研究对比了当前涡轮箱数控加工的两种常用加工工艺，分析了其优缺点，提出四轴加工技术以实现涡轮箱的加工，并对比了三种加工工艺的生产效益.根据现有机床条件，设计了四轴加工工艺流程，按照该流程，设计了工装夹具，验证了设计的加工工艺.从实际应用来看，在设备投入基本相当的情况下，生产效率提高20%～33%，合格率提高30%～60%，劳动强度大大降低，生产效益显著提高，为闽东地区按摩椅产业的涡轮箱加工提供一种解决方案.本设计加工工艺流程的实施过程，对应四轴的自动化工装夹具设计与制造是实施的重要条件，将在后续研究中继续设计开发.
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