玉米秆脱叶机的脱叶轮铸件加工工艺设计与仿真

王 钧，李 玮，刘 斌，王周梅，郭志伟，王泰恒，魏新宇，汪 颖

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224）

我国的玉米秸秆利用率较低，收获后秸秆大多留在田间。利用脱叶机进行脱叶是目前再加工的首选机械，脱叶轮零件是玉米脱叶机中的重要组成部分，其加工的精度和布置间距决定了脱叶的效果和对茎秆的破坏程度。目前脱叶轮加工中往往采用焊接的方式，先打孔，后加工，再装配。在工艺上焊接带来的变形、装配只能凭借手动补偿，不能实现标准化加工，严重影响使用效果。如果使用铸件在数控机床上进行加工就可以保证其布置的形状位置公差，使脱叶轮上的脱叶片很好地脱叶且不破坏茎秆。为了达到该零件的加工精度，将对脱叶轮设计一款专用夹具，使其能够实现批量化、稳定、可靠的高精度自动化生产,对提高劳动生产率，降低劳动强度具有重要意义[1]。

1 零件工艺分析

1.1 工艺分析

在机械加工工艺技术实施过程中，定位是指要工件固定在加工机床上，保证准确的定位，可以提高作业精准化程度，并保证较高的生产效率[2]。在定位基准选择的合理与否将直接影响零件加工的质量。如图1所示，通过脱叶轮的3D模型可以了解该脱叶轮的结构特点，在加工中保证固定块在装夹脱叶片的契合度，以及脱叶片的间距，还有M4.8的8组孔位的同轴度必须要在给定的范围内，该零件的加工难点主要在于回转体零件无法一次性加工，8组M4.5的孔分布在固定板上，加工时会出现振动，而且孔的位置很深，容易在加工过程中使钻头折断，并且在侧面有R10的一个凸台会干涉到该零件的加工。所以，为了达到加工要求，先将有3个孔的底面铣平，铣平后再利用其底面的孔位制作夹具完成后续的孔位加工。

图1 脱叶轮3D模型Fig.1 The 3D model of impeller

1.2 专用夹具设计

1.2.1 夹具自由度干涉计

该工件的特点为底端有接触面和3个孔，根据特征结合其特点可以用其来定位。定位的设计要求在原理上来说是不过定位和不干涉，如果出现了过定位和干涉，则通过验算把干涉的部分削去。脱叶轮定位夹具位置关系见图2所示，左边孔1中心O1和O1'是重合的，两者存在一个最小的间隙为X1min；孔2中心的O2'与销2的中心O2也是同样的重合，其中的最小间隙为X2min=D2min-d2max。

图2 脱叶轮定位夹具位置关系Fig.2 The position relationship of impeller positioning fixture

根据以上计算将该菱形销应削去b值5 mm最为合适。

1.2.2 专用夹具设计

该零件的钻孔大小要完全符合零件加工的标准和精度，以免出现孔洞无法满足加工零件的加工需求，从而影响到加工零件的精度和质量。脱叶轮工装夹具见图3所示。实现定位首先要能控制自由度，既不过定位也不缺定位。其次，利用一个D4.5圆柱销定位其中的小孔，圆柱销内部需要有M3的内螺纹且材质为不锈钢，有内螺纹是方便在偏过盈的过渡配合中使用冲击锤可以很轻松将其取出，而不会被真空压强吸附无法取出。一个D27的菱形销来进行旋转方向的自由度限制，最后使用压板进行z轴方向的自由度限制使。

图3 脱叶轮工装夹具Fig.3 The impeller removal fixture

2 加工仿真

利用UG软件加工仿真，是未来的重要发展趋势[3]。本次仿真将使用UG进行虚拟仿真，进行验证。

2.1 编撰NC程序

在工件中插入MCLL_MILL加工坐标系，并选择工件为铸件体，选择毛坯体为部件偏置3，进入编程页面，选择命令为DRILLING，选择需要加工的孔，设置转速为S800，进给F70，Q的设置一般为钻头的1/2，即4.5的1/2取整数为2.3，即加工深度为2.3 mm，以后抬到安全平面排除碎屑。设置其他相关参数后生成NC代码，设置其加工方法为啄钻生成刀路。

2.2 仿真计算

进入机床仿真模块，插入1台3AIX-MILL-VERTICAL型机床，选择使用Fanuc系统，行程1 200×800带自动换刀，使用装配命令中的“接触对齐”使夹具底座和机床底座相连，位置居中，设置加工坐标MCS在装夹板底面分中位置。并且完成对刀，分中等准备操作。完成后进行切削模拟，分析其加工情况及精度是否满足。

2.3 数据分析

图4 余量检测云图Fig.4 The cloud chart of allowance detection

图5 孔壁20点余量波动图Fig.5 The residual fluctuation diagram

3 结语

玉米深加工是变资源优势为经济优势，提高玉米经济效益的有效途径。通过合理的对脱叶轮进行分析，找出其可以利用的特点再配合科学的计算，确定后续工序能否进行，避免浪费工时，减少费用。利用底面的特征正好能够用于装夹以便于对等距孔进行加工的特性，通过计算设计了该产品的专用夹具。完成以后为了验证该产品的可行性利用UG软件对其进行设计建模装配并在加工环境中模拟仿真，编制了NC程序和机床仿真运行刀路宏程序。通过余量检测云图和测量作出其余量分布图，找到了其余量的分布最大最小值区间，完整地验证了该设计的可行性、正确性。为该产品批量化、精确化生产提供了可行方案。