氣動閥體車夾具設計

崔業(yè)軍

(無錫科技職業(yè)學院，江蘇 無錫 214028)

1 問題的提出

氣動閥體作為一種批量大、結(jié)構(gòu)特殊的典型閥體零件，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在以往的工藝生產(chǎn)中，采用四爪卡盤定位車削內(nèi)孔。從工藝上來講，雖然能夠滿足氣動閥體內(nèi)孔加工要求，但四爪卡盤裝夾調(diào)整費時、勞動強度大、生產(chǎn)效率低。根據(jù)這種狀況，我們提出了工藝工裝改善。

為了滿足氣動閥體內(nèi)孔的加工精度和切削效率，我們選擇適合氣動閥體加工經(jīng)濟精度的數(shù)控車床作為加工設備，以此來設計車夾具。由于氣動閥體周面類似八面形，如圖1 所示。如此一來，氣動閥體在數(shù)控車床上裝夾是一個亟待解決的問題。經(jīng)過考慮，我們決定采用二爪液壓動力卡盤，并設計與之配套的專用車夾具，實現(xiàn)氣動閥體加工工裝改進，提高生產(chǎn)效率。

2 夾具結(jié)構(gòu)與使用過程

根據(jù)夾具設計規(guī)范［1］，設計了一種適合氣動閥體專用車夾具，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。夾具的使用過程如下:

(1)將夾具下座體18 和上座體9 用內(nèi)六角螺釘聯(lián)接于卡盤端平面。

(3)閥體外平面須與中間支撐零件13 凸臺可靠接觸，防止閥體在加工過程發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此外，通過中間支撐零件13 上左右凸臺定位也提高閥體自身加工剛性。

(4)調(diào)整左右兩個支撐螺釘3 輔助支撐工件11，提高閥體加工時的剛性。同時，支撐螺釘3 也可以根據(jù)工件11 的外形適當調(diào)節(jié)，保證夾具使用的靈活性。

(5)工件11 安裝完畢后，啟動二爪液壓卡盤，利用壓板10 壓緊工件11 非定位側(cè)平面，壓緊后要檢查工件11 夾緊是否可靠、安全。

(6)根據(jù)工件11 的材料性質(zhì)及內(nèi)徑大小，調(diào)整車床主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進給量大小等，然后啟動數(shù)控車床，自動循環(huán)加工。工件11 加工完后，松開二爪液壓卡盤，取下工件11。等待下一工作循環(huán)。

3 夾具設計分析

二爪液壓卡盤與工裝裝置配合使用，實現(xiàn)了氣動閥體的自動定位夾緊，提高生產(chǎn)效率，且滿足了其內(nèi)孔的加工精度。整個設計過程需要注意以下問題:

3.1 定位方案設計［2］

閥體夾具定位方案設計，其定位方位如圖3 所示。利用氣動閥體左端面與定位法蘭8 的臺階削邊外圓端面接觸，限制Z 向移動、X和Y 旋轉(zhuǎn)方向的3個不定度。同時，定位法蘭8 的臺階上削邊外圓與其內(nèi)孔配合，限制了X 向移動。此外，為了限制氣動閥體在Y向移動和Z 向旋轉(zhuǎn)向的不定度，在中間支撐14 上設計了窄長方形面，考慮到氣動閥體的外形面是壓鑄鋁合金面和澆注口的問題，設計時將窄長方形面中間去除，保留兩端接觸，符合毛坯面定位的基本要求。在氣動閥體的前端八角外形處設計了兩個輔助支撐螺釘3，解決了其毛坯安裝對稱性和自身加工剛性的提高。

3.2 定位誤差

從氣動閥體定位原理圖3 來看，氣動閥體Z 向定位與其零件軸向尺寸設計基準不重合，存在著基準不重合誤差。但在實際工藝設計中，考慮數(shù)控編程的方便，我們將其軸向尺寸的設計基準作為工藝基準，故其軸向基準的定位誤差為零［3］。

同時，從夾具定位原理圖3 可知，氣動閥體的徑向方向的定位誤差有兩個方向。一個是X 向定位(定位法蘭8 的臺階上削邊外圓與其內(nèi)孔配合，存在著基準位置誤差。其基準位置誤差為:

式中:δgx為氣動閥體內(nèi)孔直徑公差;δx為定位法蘭8 的臺階削邊外圓的直徑公差;Δmin為氣動閥體內(nèi)孔與定位法蘭8 臺階外圓配合時規(guī)定間隙。

另一個是Y 向定位，Y 向是利用氣動閥體的外形定位，所以其Y 向的定位基準誤差為:

那么，X 向和Y 向的綜合定位基準誤差為:

設計時按照夾具定位誤差設計的基本原則，誤差ΔΣJW應為氣動閥體內(nèi)孔公差(以最小公差為基準)或者其工序定義公差的1/3，但不得超過1/2。依據(jù)這個要求，我們選取內(nèi)孔公差范圍的中間值0.09 mm，進行X 向定位誤差ΔJWX和Y 向定位誤差ΔJWY的推導。經(jīng)過公式(3)以及公差分析分配，確定X 向定位誤差ΔJWX為0.08 mm，Y 向定位誤差ΔJWY為0.04 mm。結(jié)合公式(1)誤差組成，設計了定位法蘭8 的臺階削邊外圓的直徑公差為0.03 mm，其與理論配合間隙為0.02 mm。同時，由式(2)也可推導出Y 向氣動閥體的外形誤差為0.08 mm，與其壓鑄鋁合金毛坯公差相比較，完全符合要求。

此外，為了滿足不同批次氣動閥體外形誤差的要求，我們還設計了定位螺釘17，通過旋轉(zhuǎn)定位螺釘17可以調(diào)節(jié)中間支撐14 上下移動，實現(xiàn)外形誤差的批次調(diào)節(jié)控制。

3.3 動平衡分析

氣動閥體車夾具是利用高速旋轉(zhuǎn)運動進行切削加工，夾具上各零件在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生離心力，各離心力在加工敏感方向的分力將隨不平衡零件的轉(zhuǎn)角變化而變化，同樣也會在被加工氣動閥體內(nèi)孔表面上產(chǎn)生形狀誤差。因此，我們在設計夾具的同時，必須考慮卡盤各零部件以及工件自身的離心慣性力對氣動閥體加工精度的影響。首先，依據(jù)質(zhì)量離心慣性力計算公式為［4］

式中:mi為第i 個零件質(zhì)量，kg;ri為第i 個零部件質(zhì)量中心至車床主軸回轉(zhuǎn)中心的距離，mm;ωi為主軸角速度。

推導出卡盤上各零件產(chǎn)生的離心力為

式中:n 為加工時車床主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(5)可見，隨著數(shù)控車床轉(zhuǎn)速增加，連接于卡盤端平面上的零件會產(chǎn)生離心力也會逐漸增大，且刀具在切削加工時，刀具也會產(chǎn)生徑向進給力Fy的作用［5］。依據(jù)動平衡誤差計算，卡盤端平面上各零件的綜合離心慣性力Qb和徑向切削分力Fy所引起的氣動閥體相對于主軸回轉(zhuǎn)中心的徑向跳動誤差為

式中:k系為工藝系統(tǒng)剛度，N/mm。

根據(jù)式(6)分析，在卡盤整個360°回轉(zhuǎn)過程中，由于二力的同向與反向，會給氣動閥體內(nèi)孔的輪廓形狀造成類似“心形”的誤差［6］。為了消除動平衡誤差，我們可以通過降低機床主軸轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，但是機床主軸轉(zhuǎn)速降低，會改變切削條件，影響零件表面加工質(zhì)量。因此只能在夾具上加一平衡質(zhì)量為mb0上座體9，使其產(chǎn)生的離心慣性力Qb0與夾具上其它各零件產(chǎn)生的綜合慣性力Qb相平衡，解決氣動閥體車夾具動平衡誤差的問題。

通過車床部件剛度測定的三向加載裝置，測得夾具使用的HTC1635 數(shù)控車床床頭(近主軸端)在徑向力Fr=10 400 N 的作用下，引起徑向的變形量Δr=153 μm。依據(jù)機床部件的剛度公式

可以實驗得出車床床頭工藝系統(tǒng)剛度約為32 400 N/mm。

以目前氣動閥體內(nèi)孔平均加工速度3 500 r/min，結(jié)合公式(6)來算，要想設計徑向動平衡跳動誤差小于0.02 mm，上座體9 的靜平衡誤差量必須小于5 g，才能滿足工件加工工藝要求，但也可根據(jù)加工水平能力降低得更少［7］。

3.4 夾緊裝置

為了氣動閥體更好的定位夾緊，且夾具操作方便。在設計時，我們充分利用了二爪液壓卡盤的自動夾緊的作用。同時，依據(jù)液壓卡爪的行程直徑范圍(單爪移動行程為0～5.5 mm)，合理的調(diào)整卡爪行程和壓力。其調(diào)整的條件是，在氣動閥體加工完畢后，不能在其壓緊面留有印痕，否則影響其外觀質(zhì)量。

3.5 其他

設計支撐螺釘3 時要考慮到其與支撐架12 聯(lián)接螺紋要足夠長，保證數(shù)控車床高速旋轉(zhuǎn)時，不易在機床自激振動時產(chǎn)生脫落。此外，下座體18 是用螺釘1 聯(lián)接于卡盤端面上，需要將二爪液壓卡爪另一個軟爪拆除。同時，在夾具設計時，要保證車削的可進行性，支撐架12 要低于工件5～8 mm，以防氣動閥體與端面加工刀具的干涉。

4 結(jié)語

在數(shù)控車床上，利用工裝定位與二爪液壓動力卡盤夾緊裝置配合使用的車夾具，使用簡單，加工工藝性好。特別是在大批量生產(chǎn)中能夠快速實現(xiàn)工件的裝夾，既節(jié)省工時，又降低了零部件的生產(chǎn)成本。且氣動閥體車夾具已應用于實際生產(chǎn)，效果良好。

［1］陶崇德，葛鴻翰.機床夾具設計［M］.上海:上海科學技術(shù)出版社，1989.

［2］朱耀祥.現(xiàn)代夾具設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［3］黃觀堯，劉寶河.機械制造工藝基礎［M］.天津:天津大學出版社，1999.

［4］劉鴻文.材料力學(上)［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［5］夏松波，劉永光，李勇，等.旋轉(zhuǎn)機械自動動平衡綜述［J］.中國機械工程，1999.10(4):19 -24

［6］劉正士，高榮慧，陳恩偉.機械動力學基礎［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［7］鄭建彬.通用動平衡機中智能去重模塊的設計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2002(10):26 -28