操縱器蓋銑加工夾具設(shè)計(jì)

蔣 波，賴玉活，李 健，李 吉，李 新，張曉東

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006;2. 柳州市數(shù)控機(jī)床研究所，廣西 柳州545007)

0 引言

汽車變數(shù)箱操縱器蓋社會需求量大，為大批量生產(chǎn)零件。傳統(tǒng)的加工方法是在普通機(jī)床上采用人工手動定位夾緊對其鋁合金壓鑄件進(jìn)行銑削和鉆孔加工，加工過程需要多次裝夾，由于該零件兩側(cè)面存在拔模斜度，不容易夾緊，裝夾效率低，勞動強(qiáng)度大，且對夾緊力不能精確的控制，定位精度和形位公差得不到保證。為了降低加工時(shí)人為裝夾操作造成的誤差，縮短輔助加工時(shí)間，提高定位支承系統(tǒng)的精度及可靠性，以便長期保持對操縱器蓋的快速裝夾定位精度，設(shè)計(jì)一種操縱器蓋銑加工專用夾具是非常必要的。本文通過對操縱器蓋的結(jié)構(gòu)及加工工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種操縱器蓋銑加工液壓夾具，目前該工裝設(shè)計(jì)已應(yīng)用于實(shí)踐，具有良好的使用效果，大大的提高了勞動生產(chǎn)率。

1 零件的工藝分析

操縱器蓋結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從外形看是一種典型的形狀不規(guī)則、尺寸小、形位精度要求較高的薄壁類零件，材料為YL113 (YZA1Si11Cu3)，長寬高約為72mm×21mm×106 mm。由于該零件形狀不規(guī)則，適宜采用金屬壓鑄成型法制造毛坯。該鋁合金壓鑄件的成型精度較高，對于尺寸精度和形位公差要求較高的部位，只需要留少量的精加工余量，其他精度要求低的面，一次精鑄成型就可以滿足其加工工藝要求［1］。該零件的加工部位主要為銑削面的銑削加工，鉆定位鑄孔等，加工工藝上要求第一道工序以壓鑄面A為粗基準(zhǔn)進(jìn)行精基準(zhǔn)面(銑削面)的銑削加工，最后再以精基準(zhǔn)面(銑削面)為基準(zhǔn)加工定位鑄孔。由于操縱器蓋兩側(cè)面是拔模斜度為1°的斜面，當(dāng)裝夾零件時(shí)的夾緊力增加到一定時(shí)工件容易浮動，難夾緊。因此，如何保證加工過程中對其兩側(cè)面進(jìn)行快速定位裝夾和控制好夾緊力是本工裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

圖1 操縱器蓋結(jié)構(gòu)

2 銑加工夾具的設(shè)計(jì)

2.1 夾具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)從零件的工藝分析可知其加工精度要求較高，但由于其側(cè)面存在一定拔模斜度，裝夾時(shí)工件容易浮動，夾緊困難，本設(shè)計(jì)采用相應(yīng)的配合斜面進(jìn)行定位，接觸面積大，摩擦力大，不易浮動、定位穩(wěn)定。

(2)為提高勞動生產(chǎn)率，減少工人的勞動強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)采用液壓缸作為動力源進(jìn)行夾緊，夾具體成一整體結(jié)構(gòu)，夾具的更換及調(diào)整簡單，夾緊動作迅速可靠，加工精度高［2］;

(3)滑塊的底部是燕尾導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，造價(jià)低，易調(diào)整，其與滑塊座接觸是滑動面接觸方式，具有穩(wěn)定可靠，導(dǎo)向性好，剛性強(qiáng)的特點(diǎn);

(4)本設(shè)計(jì)采用4 件工件同時(shí)裝夾的布局方案，通過液壓系統(tǒng)分油路分開同時(shí)加緊，操作簡單方便，一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)多件工件的加工，減少工件的輔助加工時(shí)間，提高了加工精度，滿足了工件加工的形位精度要求，生產(chǎn)效率明顯提高。

2.2 夾具的定位裝夾

工件定位:該工件在空間的六點(diǎn)定位示意圖如圖2 所示，通過左定位塊進(jìn)行定位，限制其X方向1 個自由度;以壓鑄面A為定位面限制X、Y方向轉(zhuǎn)動、Z方向移動3 個自由度;上下端面分別采用彈簧銷和前定位塊限制Y方向1 個自由度;銑削加工時(shí)，銑削力的垂直分力向下，將工件壓向工作臺，工件Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度也被限制，這樣零件的6 個自由度都被限定，實(shí)現(xiàn)了完全定位，能保證其銑削加工時(shí)的唯一正確位置［3］。

圖2 工件在空間的六點(diǎn)定位

夾緊裝置:工件側(cè)面存在拔模斜度，考慮到普通夾具裝夾效率低，且難以克服工件夾緊時(shí)向上浮動的問題，因此本設(shè)計(jì)采用液壓夾緊，通過液壓夾緊力推動滑塊面接觸實(shí)現(xiàn)壓緊，裝夾迅速平穩(wěn)，大大的提高了生產(chǎn)效率，滿足了工件的大批量生產(chǎn)的要求。

夾具體的布局［4］:為實(shí)現(xiàn)該工件的大批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)決定采用4 個操縱器蓋一次裝夾的布局方案。該布局方案如圖3 所示，該夾具體制造材料為HT200 灰鑄鐵，價(jià)格低、抗震、吸震能力強(qiáng)，由于夾具體底板要做為基準(zhǔn)面與機(jī)床工作臺面結(jié)合，因此其加工精度要求高。夾具體底板通過銷軸和鎖緊螺釘與定位夾緊元件聯(lián)接?；瑝K的底部通過燕尾導(dǎo)軌與滑塊座接觸，由于燕尾導(dǎo)軌是滑動導(dǎo)軌，采用的是面接觸方式，具有穩(wěn)定可靠，導(dǎo)向性好，剛性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［5］。

圖3 液壓夾具的布局方案

2.3 夾具的工作原理

液壓缸開關(guān)啟動前，將工件放置在底座上，使其壓鑄面A處于平穩(wěn)的定位位置，此時(shí)夾具左定位快的拔模斜面正好與工件的左側(cè)面配合接觸，彈簧銷與前定位快限制了工件的前后方位的移動，液壓缸開關(guān)啟動后，油缸給拉桿施壓，拉桿推動滑塊移動，實(shí)現(xiàn)對滑塊的壓緊，從而其拔模斜面與工件的右側(cè)面完全配合，實(shí)現(xiàn)對工件的壓緊。

2.4 切削力和夾緊力的計(jì)算

(1)切削力計(jì)算

工件材料為鋁合金，且其形狀不規(guī)則，要求加工精度高，銑削平穩(wěn)，銑削力的垂直分力向下，將工件壓向工作臺，故端面進(jìn)行銑削加工時(shí)采用順銑。銑削時(shí)，銑刀對工件產(chǎn)生的力主要為切削力及切削扭矩，銑刀產(chǎn)生的扭矩相對較小，可由工件與夾具產(chǎn)生的摩擦扭矩及底座的支撐反力來平衡，故扭矩M的影響可忽略［6］，最終只需考慮銑刀所產(chǎn)生切削力即可滿足夾緊條件。

本設(shè)計(jì)中工件材料為YL113，硬度為75～105HBS，取壁厚2.5～10mm，屈服強(qiáng)度δb≥230MPa，銑削寬度aw取106.5mm，端銑時(shí)銑削切削力的計(jì)算公式為［7］:

其中ap—銑削深度，取0.5mm;af—每齒進(jìn)給量，取0.2mm;d0—銑刀外徑，取160.5mm;kFz—銑削條件改變時(shí)銑削力修正系數(shù)，取0.54，Z—銑刀齒數(shù)，取14;n—銑刀轉(zhuǎn)速，取600。通過分析查表，CF取534，xF取0.9，yF取0.74，uF取1.0，qF取1.0，wF取0，得:

(2)夾緊力計(jì)算

操作器蓋是一種尺寸較小的鋁合金薄壁類零件，受力分析時(shí)其質(zhì)量可以忽略不計(jì)，所受夾緊力示意圖如圖2 所示。

圖4 工件受力示意圖

當(dāng)工件以兩拔模斜面定位，側(cè)向夾緊，銑削時(shí)承受水平和垂直切削分力，其所需夾緊力的計(jì)算公式［8］為:

K—安全系數(shù);K0—基本安全系數(shù)，取1.2;K1—加工狀態(tài)系數(shù)，精加工時(shí)取1.0;K2—刀具鈍化系數(shù)，取1.3;K3—切削特點(diǎn)系數(shù)，取1. 0;K4—夾緊力穩(wěn)定系數(shù)，機(jī)動夾緊時(shí)取1. 0;K5—手柄位置系數(shù)，取1. 0;K6—支撐面接觸情況系數(shù)，取1.2。

水平銑削分力:P1=cos10° ×435

垂直銑削分力:P2=sin10° ×435

L取64;b取4.3;a取0;c取9。

f為夾緊元件與工件間的摩擦系數(shù)，取f=0.25，得:

2.5 液壓缸及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

缸徑選擇［9］:根據(jù)所需夾緊力選擇液壓缸直徑D，液壓缸拉桿的推力公式為:

其中:Q為液壓缸壓緊力，d=0.4D，P=435N，Q=774.2N。

由(1)、(2)代入數(shù)據(jù)得D=40mm。

圖3 所示為該液壓系統(tǒng)圖，工作時(shí)，電動機(jī)帶動油泵回轉(zhuǎn)，油箱內(nèi)液壓油進(jìn)入吸油濾器，經(jīng)過變量泵組進(jìn)入回路，電磁換向閥接通，壓力油進(jìn)入液壓缸的無桿腔，推動活塞桿向左端移動，實(shí)現(xiàn)對工件的夾緊;工件加工完成后，斷開電磁換向閥，壓力油經(jīng)換向閥回到液壓缸的有桿腔，活塞桿右移，滑塊對工件的夾緊力消失，滑塊自動后移，即可卸下工件完成卸載。

工作過程中該夾具對工件的夾緊和松開的速度取決于進(jìn)油速度的快慢，回路中通過串聯(lián)節(jié)流閥控制流量大小，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)油快慢的控制［10］。

圖5 液壓系統(tǒng)圖

3 結(jié)論

變速箱操縱器蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸小、形位公差要求較高，采用普通的裝夾方法裝夾時(shí)效率低，勞動強(qiáng)度大，通過對零件的加工工藝進(jìn)行分析，根據(jù)工序集中原則以夾具來實(shí)現(xiàn)定位、液壓缸進(jìn)行夾緊過程，并以變速箱操縱器蓋精基準(zhǔn)面銑削面的加工液壓夾具設(shè)計(jì)為例說明夾具的布局方案、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理等。實(shí)際生產(chǎn)中，該夾具的工裝設(shè)計(jì)使得變速箱操縱器蓋實(shí)現(xiàn)了高效、大批量生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，對其他同類零件生產(chǎn)也有借鑒意義。

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