高錳鋼轍叉加工機(jī)床液壓夾具研制

戴坡

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島066205）

1 引言

在大批量工件加工行業(yè)，高速機(jī)床、高速加工刀具早已在整個(gè)機(jī)械制造業(yè)獲得普遍應(yīng)用，機(jī)械制造業(yè)的加工水平、生產(chǎn)效率也獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，而工件的定位、夾緊所必需的夾具仍是不可缺少的工藝裝備。隨著高速機(jī)床、專用加工刀具在機(jī)械制造業(yè)的不斷應(yīng)用，對(duì)機(jī)床夾具也提出了更高層次的要求。用戶需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、工作安全可靠、裝夾釋放工件快速、能減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和人為因素不穩(wěn)定性的夾具［1］。

液壓夾具具備上述功能，并且液壓夾具的研制也具備了一定的基礎(chǔ)。它具有如下特點(diǎn)：一是它是針對(duì)某個(gè)加工件而設(shè)計(jì)的專用工裝；二是液壓元件標(biāo)準(zhǔn)化，可以實(shí)現(xiàn)工件裝夾的自動(dòng)化，且工作安全可靠；三是液壓夾具的使用可以提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，能夠大大提高企業(yè)的工藝裝備水平。

中鐵山橋每個(gè)月的錳叉加工任務(wù)都要在1200組以上，屬于大工件、大批量的加工，用于錳叉加工的機(jī)床主要有日本307數(shù)控銑床、D28機(jī)床及加工過(guò)渡段的8m數(shù)控銑床。在用數(shù)控機(jī)床加工錳叉時(shí)，由于錳鋼硬度高，錳叉加工量大，導(dǎo)致加工時(shí)的切削力非常大，即加工時(shí)錳叉水平方向受力非常大；同時(shí)，由于錳叉要求的加工精度高，因此在切削加工錳叉時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確可靠定位。之前采用的定位方法是手工用U型夾配合螺栓對(duì)錳叉的耳板進(jìn)行分段固定，這需要對(duì)幾個(gè)夾點(diǎn)依次進(jìn)行手動(dòng)夾緊，勞動(dòng)強(qiáng)度大且耗時(shí)，為此需要研制自動(dòng)化的液壓夾具對(duì)錳叉進(jìn)行準(zhǔn)確可靠定位。

2 液壓夾具工作原理及構(gòu)成

2.1 液壓夾具工作原理

液壓夾具就是用液壓元件代替機(jī)械零件實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)定位、支承與夾緊的夾具，它需要把液壓元件和機(jī)械執(zhí)行部分裝配在一起來(lái)完成動(dòng)作。液壓夾具既能在粗加工時(shí)承受大的切削力保證對(duì)工件的準(zhǔn)確定位，還能完成手動(dòng)夾具無(wú)法完成的支撐、夾緊和快速釋放［2］。

2.2 液壓夾具構(gòu)成

液壓夾具均由以下四部分構(gòu)成：（1）動(dòng)力源。指為夾具的執(zhí)行元件提供動(dòng)力的液壓部件，即液壓泵站。（2）執(zhí)行元件。指定位、支承與夾緊工件的各種液壓缸，它是液壓夾具最重要的功能部件。（3）控制元件。指液壓油路上的各種控制閥，如截止閥、換向閥、順序閥等。（4）管路及附件。指液壓夾具的各種管路［3］。

液壓夾具的機(jī)械執(zhí)行部分是整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵部位，需要根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境、主要加工對(duì)象及加工部位來(lái)設(shè)計(jì)，主要的技術(shù)要求就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確可靠，工作壽命長(zhǎng)。中鐵山橋加工的國(guó)內(nèi)和國(guó)外的錳叉型號(hào)種類繁多，但是主要的加工位置均為錳叉軌頂、端面、工作邊、軌腰、板槽及底面。當(dāng)對(duì)這些位置進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，將錳叉平放在已有的銑床墊胎上，液壓夾具固定的部位是錳叉耳板，利用垂直于墊胎胎面的向下壓力對(duì)錳叉進(jìn)行固定。由于夾緊裝置需要自身固定，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到墊胎上有T型凹槽，夾緊裝置的機(jī)械部分設(shè)計(jì)了T型結(jié)構(gòu)與墊胎T型槽配合實(shí)現(xiàn)夾具自身固定。在液壓或氣壓傳動(dòng)機(jī)床夾具中，考慮到活塞桿的強(qiáng)度及與液壓缸配合的重要性，采用活塞桿端部直接夾緊固定工件的情況極少，多數(shù)采用壓板加壓對(duì)工件定位。

3 夾具液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擬定液壓系統(tǒng)圖就是靈活運(yùn)用各種基本回路和常用回路擬定出實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)要求的液壓系統(tǒng)工作原理圖。確定油路系統(tǒng)的工作壓力、控制元件、管路及輔件，根據(jù)夾具要求實(shí)現(xiàn)的功能和工作要求來(lái)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)。

3.1 工作要求

液壓夾具固定在T型槽墊胎上，通過(guò)按鈕操作實(shí)現(xiàn)錳叉加工時(shí)對(duì)錳叉相應(yīng)位置的固定和放松；夾具夾緊時(shí)要求快速、穩(wěn)定，保證有足夠的夾緊力使錳叉在加工過(guò)程中不移動(dòng)；夾具放松時(shí)，要求液壓缸能夠穩(wěn)定回油，夾具放松后，能夠后退不影響錳叉的起吊；液壓回路盡量簡(jiǎn)單，易維修，無(wú)泄漏，壽命長(zhǎng)。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

加工錳叉時(shí)由于加工位置的不同、加工量的差異，切削力會(huì)不同。為了配合生產(chǎn)需要，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，計(jì)算出切削力大約在45～75kN之間，而錳叉與工作墊胎的靜摩擦系數(shù)一般0.14～0.16之間，按照0.15選取，計(jì)算出液壓夾具需要的夾緊壓力在300～500kN之間，夾緊需要時(shí)間為 1～2s。

錳叉全長(zhǎng)一般在6～8m，為防止加工時(shí)錳叉的移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，使其能在墊胎上固定得更加牢固，需要在墊胎上對(duì)錳叉進(jìn)行多點(diǎn)固定，這樣既可以減少液壓系統(tǒng)的壓強(qiáng)和液壓缸的有效面積，從整體上使液壓夾具執(zhí)行部分更加緊湊，還可以有效防止加工錳叉時(shí)受到傾覆力矩而翻轉(zhuǎn)。

根據(jù)工程機(jī)械中數(shù)控機(jī)床常見(jiàn)液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)在20～31.5MPa，按P=25MPa設(shè)計(jì)；液壓缸選擇標(biāo)準(zhǔn)缸徑D=63mm，液壓缸有效面積為 A=πD2/4＝3117mm2；液壓頂桿頂起壓力F頂＝P×A＝77.9kN；需要的夾緊點(diǎn)數(shù)n=F夾/F頂＝3.85～6.42，考慮到夾緊的可靠性，為增加安全系數(shù)，確定需要6～8個(gè)夾具缸同時(shí)夾緊。

根據(jù)日本307數(shù)控銑床加工軌頂、工作邊和D28機(jī)床加工端面、板槽，由于切削力偏大，需要500kN左右的夾緊力，設(shè)計(jì)8個(gè)夾具缸同時(shí)夾緊；加工錳叉過(guò)渡段時(shí)切削力小，設(shè)計(jì)6個(gè)夾具缸來(lái)夾緊。

3.3 系統(tǒng)液壓元件選擇

液壓泵及電機(jī)：根據(jù)系統(tǒng)壓力及8個(gè)夾具確定選擇變量柱塞泵：25YCY14-1B，此泵具有壓力補(bǔ)償功能，保證恒定功率運(yùn)行，液壓缸活塞桿的移動(dòng)速度選擇V＝25mm/s，需要液壓泵的排量為Q=8Qg=8AV=623.4mL/s，柱塞泵的排量為 Q泵＝25mL/r，因此，需要泵的轉(zhuǎn)速為 n轉(zhuǎn)速＝11496r/min；根據(jù)轉(zhuǎn)速確定電機(jī)型號(hào)：Y180L-4。

其他用到的主要的液壓元件有：耐震壓力表，三位四通電磁換向閥，截止閥，疊加式液控單向閥，回油、吸油濾油器，液位液溫計(jì)，油箱，空濾器，液位控制繼電器，疊加式溢流閥，風(fēng)冷卻器，壓力繼電器，蓄能器等。

3.4 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

液壓夾具主管路自?shī)A具液壓泵站起，經(jīng)X軸拖鏈至工作臺(tái)后段腔內(nèi)到達(dá)4處三通管接頭，分成2個(gè)支路；分別到達(dá)2處分油塊，每個(gè)分油塊均有4個(gè)出口連接到快速接頭，這樣可以提供多達(dá)8個(gè)位置的夾具液壓缸動(dòng)作。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及系統(tǒng)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)出夾具液壓系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1 夾具液壓系統(tǒng)原理圖

以上設(shè)計(jì)的液壓泵站和控制系統(tǒng)是配合此液壓夾具設(shè)計(jì)的，另外，為充分利用已有資源，另單獨(dú)設(shè)計(jì)一套液壓系統(tǒng)，壓力約為0.35～0.4MPa，帕斯卡泵增壓比為1∶65，這樣通過(guò)增壓使得系統(tǒng)的壓強(qiáng)變?yōu)?2.75～26MPa，與前面設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)基本一致，同樣能滿足夾緊錳叉時(shí)對(duì)夾緊力的要求，需要6～8個(gè)夾具缸共同作用。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了實(shí)際工作的需要，巧妙的對(duì)電磁換向閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使電磁閥在斷電時(shí)系統(tǒng)給液壓缸供油，夾具夾緊工件；電磁閥通電時(shí)系統(tǒng)回油，夾具放松，這樣能避免系統(tǒng)突然停電導(dǎo)致的夾具放松。另外，在系統(tǒng)回路中設(shè)置一個(gè)單向閥，避免了突然停電而引起的夾具放松，從而避免了對(duì)錳叉的誤加工而帶來(lái)的工件報(bào)廢。另外，整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，極大地提高了夾具工作效率，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。

4 液壓夾具機(jī)械部分設(shè)計(jì)

液壓夾具的執(zhí)行部分是整個(gè)夾緊裝置的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)過(guò)程中既要實(shí)現(xiàn)夾緊的簡(jiǎn)便易操作，而且要具有足夠的強(qiáng)度和剛度。設(shè)計(jì)的底座要有T型結(jié)構(gòu)部分與工作墊胎的T型槽配合，以此來(lái)保證夾具自身的定位；設(shè)計(jì)的液壓缸為單作用缸，回油時(shí)利用設(shè)置在有桿腔的彈簧回彈實(shí)現(xiàn)回油夾具放松，彈簧彈力要能保證克服回油時(shí)的壓力損失和回油阻力，即保證系統(tǒng)順利回油夾具放松；底座上加工的油路工藝孔要正交，不允許存在管路交叉驟變；合理設(shè)計(jì)工藝孔的布置，要求保證油路管線盡可能短，且能不影響管路接頭的配接。

考慮到進(jìn)一步增大錳叉壓板壓緊部位的夾緊力，合理的布置活塞桿頂起的壓板上轉(zhuǎn)軸的位置，通過(guò)減少壓板前端壓頭側(cè)的力臂，利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)增大前端夾緊力，這里設(shè)置增大為1.2倍。具體的夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夾具機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖

5 液壓夾具工作試驗(yàn)

圖3 夾具缸

加工出來(lái)的液壓系統(tǒng)執(zhí)行部分（夾具缸）的實(shí)物圖如圖3所示。

在夾具缸加工出來(lái)后，連接上已有泵站，對(duì)其進(jìn)行壓力試驗(yàn)。用壓力傳感器測(cè)得在系統(tǒng)壓強(qiáng)為25MPa時(shí)，壓頭部分的壓力輸出為93kN，8個(gè)夾點(diǎn)的力總和達(dá)到744kN。符合設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)要求；液壓缸頂桿起升高度范圍為0～20mm，前端壓頭部分下降在0～15.5mm之間，起升時(shí)間為1～2s；液壓缸回油快速穩(wěn)定。不足之處在于系統(tǒng)進(jìn)油時(shí)，后端壓頭出現(xiàn)波動(dòng)式下降，當(dāng)液壓系統(tǒng)憋住油壓時(shí)才穩(wěn)定下來(lái)。這個(gè)問(wèn)題可以在后期進(jìn)一步完善?？傊?，所研制的液壓夾具達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)錳叉加工時(shí)的準(zhǔn)確定位，并且系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)論

人工用螺栓和U型夾子來(lái)固定錳叉和通過(guò)液壓夾具對(duì)錳叉定位的對(duì)比分析：

人工用螺栓和夾子固定錳叉需要8個(gè)固定點(diǎn)，手動(dòng)固定和放松8個(gè)夾緊點(diǎn)需要大約10min；而通過(guò)液壓夾具夾緊和放松一顆錳叉只需1min左右，這樣加工一顆錳叉就節(jié)省了9min，極大地提高了生產(chǎn)效率。另外，使用液壓夾具對(duì)錳叉的固定更加穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了工件裝夾的自動(dòng)化，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且大大地提高了工藝裝備水平、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 孔文杰.液壓夾具［J］.機(jī)械工人，2006（5）：10-14.

［2］ 馬曉磊.數(shù)控尖軌加工銑床定位夾具機(jī)構(gòu)改造［J］.設(shè)備管理與維修，2004（8）：13-16.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：63-70.