數(shù)控加工中夾具設(shè)計(jì)對(duì)零件加工精度的影響

仲陽(yáng)

（廣東省嶺南工商第一技師學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

在實(shí)際進(jìn)行數(shù)量較大零件的加工過(guò)程中，比如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的一些零部件，箱體類(lèi)零件，大多都會(huì)使用一面兩銷(xiāo)式的定位夾具，通過(guò)數(shù)控中心進(jìn)行控制加工，從而確保加工零件精度符合要求，而且提高了整體的加工效率[1-2]。但是在實(shí)際制造一面兩銷(xiāo)夾具的過(guò)程中，若是不結(jié)合數(shù)控加工技術(shù)本身所具有的特點(diǎn)進(jìn)行建造工作，很容易影響到加工零件的整體質(zhì)量，降低了零件的合格率。本文對(duì)在進(jìn)行零件加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析，并且針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決措施。

1 數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)中影響零件精度的主要問(wèn)題

（1）選用夾具的確定。根據(jù)其設(shè)計(jì)零件的樣式、設(shè)計(jì)方法不同，所用到的夾具也有很大區(qū)別，如何選定適合所設(shè)計(jì)零件的夾具，成為了零件加工過(guò)程是夠合適、零件質(zhì)量是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)。工作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)所設(shè)計(jì)加工的零件有充分的了解，根據(jù)其設(shè)計(jì)加工標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的夾具樣式，再對(duì)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)加工[3]。夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足零件的定位、剛性條件等需求。若夾具樣式不能滿足零件的加工需求，則會(huì)增加零件加工過(guò)程中的難度以及耗時(shí)量，更加有可能使設(shè)計(jì)出的零件不能滿足所需標(biāo)準(zhǔn)。同樣，在夾具的設(shè)計(jì)加工過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)考慮到數(shù)控機(jī)床的尺寸和運(yùn)行方式，使設(shè)計(jì)的夾具可以滿足數(shù)控機(jī)床的安裝要求。保證其零件的初始坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的尺寸、相互位置等條件符合標(biāo)準(zhǔn)[4]。

（2）夾具定位條件。在數(shù)控加工過(guò)程中，其定位對(duì)零件加工質(zhì)量、精度有較大的影響。機(jī)床坐標(biāo)系與加工零件坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)保證其一致性，以及盡量使坐標(biāo)系之間進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，以保證加工過(guò)程中產(chǎn)生較少的紕漏。工作人員應(yīng)當(dāng)通過(guò)零件加工所需的坐標(biāo)系，將其和數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系調(diào)整至一致，根據(jù)其坐標(biāo)系原點(diǎn)和方向的定位，從而設(shè)計(jì)夾具的定位坐標(biāo)。根據(jù)零件和機(jī)床的坐標(biāo)準(zhǔn)確定位夾具的安裝坐標(biāo)，從而對(duì)夾具進(jìn)行準(zhǔn)確安裝。通常零件在夾具中采用六點(diǎn)定位原則，即確定其六個(gè)自由度。加工通常零件時(shí)，都可以使用該方法，可以保證零件較為精確的加工。因此，這對(duì)夾具的設(shè)計(jì)以及其定位方式提出了很高的需求，必須根據(jù)所加工零件自身的特點(diǎn)，以選擇夾具上的定位點(diǎn)。如果夾具上的定位點(diǎn)選取不合適，則會(huì)導(dǎo)致零件加工過(guò)程中的困難增加，同時(shí)有可能造成零件的精度下降甚至不能滿足零件標(biāo)準(zhǔn)[5]。

（3）夾具剛性條件。夾具設(shè)計(jì)的剛性指標(biāo)同樣是零件精度、指標(biāo)是否滿足的重要條件，由于所加工零件的剛度不同，其剛性需求不同，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所加工零件的剛性條件以設(shè)計(jì)家具的剛性條件。如果夾具的剛性條件不能滿足其加工零件的剛度需求，則會(huì)造成零件在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形而導(dǎo)致其加工精度不夠。在數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工零件的過(guò)程中，加工同一種零件的不同工序時(shí)，經(jīng)常會(huì)使用同一種夾具。因此，工作人員在設(shè)計(jì)其夾具時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到零件在不同工序下的剛性需求，應(yīng)當(dāng)按照最大的剛性需求設(shè)計(jì)夾具，從而使其滿足零件的整個(gè)加工過(guò)程。

（4）夾具的通用性。作為零件加工過(guò)程中的輔助裝置，通常一種夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足特征相近、樣式類(lèi)似的多種零件的使用需求。夾具更換問(wèn)題是數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，在對(duì)同系列同尺寸的工件進(jìn)行加工的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要從夾具的通用性特征入手對(duì)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便讓夾具的更換頻率得到有效降低[6]。在夾具的更換過(guò)程中，工作人員也需要對(duì)夾具的過(guò)盈量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 夾具設(shè)計(jì)過(guò)程影響零件精度的問(wèn)題實(shí)例及改進(jìn)

2.1 零件加工中出現(xiàn)的問(wèn)題

針對(duì)前文中敘述的夾具設(shè)計(jì)中所應(yīng)關(guān)注的一些問(wèn)題，通過(guò)實(shí)例對(duì)數(shù)控加工中夾具設(shè)計(jì)對(duì)所加工零件的影響對(duì)其進(jìn)行具體分析。圖1為某零件的主要結(jié)構(gòu)工程圖，具體為某型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)的中部大孔以及相鄰兩個(gè)軸承孔。其中部大孔的制造標(biāo)準(zhǔn)為D38.015±0.015，其軸承孔的加工標(biāo)準(zhǔn)為D14±0.015 0.01之間。并且，其中部大孔（D38.015±0.015）和軸承孔（D14±0.015 0.01）軸線之間的位置關(guān)系有比較高的精度需求，具體為0.025。

圖1 某零件的主要結(jié)構(gòu)工程圖Fig. 1 The main structural engineering drawings of a part

在其加工過(guò)程中，采用一面兩銷(xiāo)的方式加工中部大孔（D38.015±0.015）和軸承孔（D14±0.015 0.01）。即處理中部大孔（D38.015±0.015）的中心和兩個(gè)軸承孔（D14±0.015 0.01）軸線的對(duì)稱(chēng)度加工時(shí)，加工中部大孔（D38.015±0.015）以及其底面所有的安裝孔之后，將底面作為安裝平面，將底面的兩個(gè)孔（即圖1中的A孔和B孔）作為定位銷(xiāo)，采用氣動(dòng)夾緊。以圖中D32鎂合金壓鑄件的坯料孔D30進(jìn)行X軸、Y軸方向?qū)Φ?，建立X軸、Y軸加工坐標(biāo)系的原點(diǎn),銑加工一側(cè)軸承孔（D14±0.015 0.01）以及其它孔，再通過(guò)夾具帶動(dòng)工件整體翻轉(zhuǎn)定位銑加工另一側(cè)軸承孔（D14±0.015 0.01）以及其它孔[7]。

但是在該零件的這種加工過(guò)程中，出現(xiàn)了一些不合理的加工過(guò)程以及夾具的不合理定位問(wèn)題。在夾具定位零件的過(guò)程中，一面兩銷(xiāo)的定位方式存在一些問(wèn)題，將底面作為安裝平面，將底面的兩個(gè)孔（即圖1中的A孔和B孔）作為定位銷(xiāo)，但是底面兩個(gè)孔相對(duì)于中部大孔不對(duì)稱(chēng)，其兩孔之間中心線和中部大孔的中心線相距較大。這種不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象容易造成加工過(guò)程中，所加工零件繞中心點(diǎn)產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，從而不能保證其加工精度，對(duì)零件質(zhì)量造成較大的影響。同時(shí)，由于定位銷(xiāo)和定位孔之間存在一定的間隙，以及操作人員在實(shí)際定位過(guò)程中可能會(huì)存在一定的操作誤差，則更加容易造成其零件加工過(guò)程中產(chǎn)生小角度翻轉(zhuǎn)或是移動(dòng)，從而使夾具定位出現(xiàn)偏差，造成零件質(zhì)量的下降[8]。另一方面，在確定建立加工坐標(biāo)系時(shí)，對(duì)刀位置的選擇不科學(xué)。與上述的定位夾緊一樣，由于對(duì)刀無(wú)法直接通過(guò)，也就無(wú)法找出X 方向中大孔（D38.015±0.015）的中心位置，轉(zhuǎn)而在壓鑄坯料孔（D10.01）上對(duì)刀，從而找出對(duì)刀中心在 X 軸上的位置。由于零件的相對(duì)理想位置發(fā)生一小部分的傾斜，在對(duì)刀中心處對(duì)軸承孔（D14±0.015 0.01）進(jìn)行加工，導(dǎo)致其軸線相對(duì)大孔（D38.015±0.015）的中心產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)度誤差。

此外，應(yīng)當(dāng)考慮到零件的剛性特征，根據(jù)所加工零件的剛性條件以設(shè)計(jì)家具的剛性條件。如果此夾具的剛性條件不能滿足該中心孔的剛度需求，則會(huì)造成該零件在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形而導(dǎo)致其加工精度不夠。工作人員在設(shè)計(jì)其夾具時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到該零件在粗加工以及精細(xì)加工兩種不同工序下的剛性需求，應(yīng)當(dāng)按照最大的剛性需求設(shè)計(jì)夾具，從而使其滿足零件的整個(gè)加工過(guò)程。同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮夾具的通用性，由于一面兩銷(xiāo)的定位方式非常常用，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)符合這種條件下的通用夾具，即符合定位孔直徑的通用銷(xiāo)，從而減少夾具的額外設(shè)計(jì)，提升零件加工的效率[9]。

2.2 針對(duì)零件加工中出現(xiàn)問(wèn)題的解決措施

通過(guò)上述的分析，可以得出該零件的加工過(guò)程中存在較大的問(wèn)題是夾具設(shè)計(jì)的定位位置不夠好，不能滿足定位的誤差，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)不符，以及其夾具的剛性需求需要額外考慮。根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)提出一些改進(jìn)措施，提高該零件的加工質(zhì)量。首先，應(yīng)當(dāng)對(duì)其兩個(gè)定位銷(xiāo)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，之前所設(shè)計(jì)的定位位置為底面的兩個(gè)孔（即圖1中的A孔和B孔），A孔和B孔的中心線距離中部大孔（D38.015±0.015）的中心線位置較遠(yuǎn)，因此，應(yīng)當(dāng)將A孔定位改為C孔定位。定位方式為定位銷(xiāo)B和圓錐定位銷(xiāo)C，通過(guò)重新調(diào)整其兩銷(xiāo)的定位位置，使得定位銷(xiāo)的中心線位置與中部大孔（D38.015±0.015）的中心線位置較為一致，從而有效避免了由于中心線位置偏差導(dǎo)致的零件在加工過(guò)程中的微小轉(zhuǎn)動(dòng)，提升零件的加工精度[10]。其次，對(duì)其對(duì)刀中心進(jìn)行改進(jìn)，在之前確定建立加工坐標(biāo)系時(shí)，對(duì)刀位置的選擇不科學(xué)，無(wú)法直接通過(guò)，同時(shí)無(wú)法找出 X 方向中大孔（D38.015±0.015）的中心位置，轉(zhuǎn)而在壓鑄坯料孔（D10.01）上對(duì)刀，從而找出的對(duì)刀中心存在一定的偏差。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，以D38.015大孔的定位小錐度圓錐銷(xiāo)C外側(cè)進(jìn)行對(duì)刀,找其中心作為X方向的對(duì)刀中心,使加工工藝基準(zhǔn)（對(duì)刀中心）與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的夾具,由于定位基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)三基準(zhǔn)的重合,消除了原理性的誤差,影響圖中對(duì)稱(chēng)度精度的只有小錐度（底部）圓錐銷(xiāo)C與夾具配合圓孔的配合間隙,因小錐度圓錐銷(xiāo)C與夾具配合圓孔的配合間隙控制在一定的范圍，減小該間隙對(duì)加工精度的影響。經(jīng)過(guò)多次批量檢測(cè),最終使兩個(gè)軸承孔（D14±0.015 0.01）軸線與大孔（D38.015±0.015）中心的對(duì)稱(chēng)度誤差控制在所規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi),使產(chǎn)品合格率大幅提高。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際對(duì)零件加工工作的分析和總結(jié)可知，在實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)加工工作的過(guò)程中，相應(yīng)工件的夾具設(shè)計(jì)和對(duì)刀位置對(duì)直接影響到加工零件的品質(zhì)。因此需要相應(yīng)技術(shù)加工人員在進(jìn)行數(shù)控加工的過(guò)程中，需要明確的了解設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)之間的關(guān)系，確保在實(shí)際進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中讓這三者進(jìn)行科學(xué)的協(xié)調(diào)配合，有效提高加工零件的精確度和生產(chǎn)效率。從而有效的存進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。