采用液壓夾具在多件加工中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制

林 斌

（廣東省粵東技師學(xué)院，廣東汕頭 515000）

0 引言

隨著機(jī)械制造工業(yè)的迅速發(fā)展、自動(dòng)化和半自動(dòng)化設(shè)備的推廣，以及為在大批量生產(chǎn)中盡量減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)在大多采用氣動(dòng)、液壓等夾緊裝置代替人力操作，這類夾緊機(jī)構(gòu)還能進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，其夾緊力可保持穩(wěn)定，機(jī)構(gòu)也不必考慮自鎖，夾緊質(zhì)量比較高。液壓柔性夾具的應(yīng)用和推廣，提高了產(chǎn)品加工質(zhì)量和加工效率，為全面實(shí)現(xiàn)工裝夾具的數(shù)字化、設(shè)備智能化，為自動(dòng)化工藝裝備在我國機(jī)械行業(yè)和其他領(lǐng)域的全面應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

某角度接頭座零件，在三軸加工中心上加工對(duì)稱斜面、斜面上的圓弧溝槽和孔，若采取手動(dòng)夾緊工件，不僅裝卸遲緩，操作也不方便，加工一個(gè)端面后需重新裝卸工件，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。為了適應(yīng)大量生產(chǎn)需求及提高產(chǎn)品的質(zhì)量，采取了液壓控制技術(shù)與合理的機(jī)械裝置于一體的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化工藝的液壓夾緊，利用液壓夾具簡化了銑削工序，實(shí)現(xiàn)了銑削工藝過程的數(shù)字化與柔性化，極大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 零件分析

需加工的角度接頭座如圖1 所示，零件需銑削兩個(gè)對(duì)稱斜面、對(duì)稱圓弧槽和內(nèi)孔等，零件材料為45 號(hào)鋼，年產(chǎn)量約13萬件。為提高生產(chǎn)率，需設(shè)計(jì)專用夾具，要求能多件同時(shí)夾緊進(jìn)行加工。零件的外形已加工到尺寸要求，只需在加工中心上定位加工斜面對(duì)稱尺寸、對(duì)稱圓弧溝槽和對(duì)稱內(nèi)孔即可，工件毛坯如圖2 所示。

圖1 角度接頭座

圖2 工件毛坯

如圖3 所示，該零件是斜面對(duì)稱形狀，公差等級(jí)為IT8。主要保證斜面寬度44±0.03 mm、16°±0.02°的錐度，零件對(duì)稱度誤差為0.05 mm，零件表面各粗糙度為了1.6 μm，采用三軸數(shù)控銑床或三軸加工中心均可進(jìn)行加工。工件批量較大，為了降低加工難度，提高生產(chǎn)效率，降低成本，設(shè)計(jì)一套銑削對(duì)稱斜面的自動(dòng)化夾具，能夠在經(jīng)濟(jì)型三軸加工中心或數(shù)控銑床上一次加工多個(gè)工件。

2 擬訂夾具結(jié)構(gòu)方案

2.1 設(shè)計(jì)初衷

通常在加工中心上銑削對(duì)稱斜面時(shí)，大部分夾具都是以單面加工，即銑削完成一面后，手工拆卸工件，翻面裝夾，再加工另一斜面。每個(gè)工件需要操作工人進(jìn)行兩次裝夾，工件的精度很難保證，并大大提高了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用傳統(tǒng)加工方法勢(shì)必影響企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)度，達(dá)不到批量生產(chǎn)的目的。經(jīng)過多方面的考慮及嘗試，設(shè)計(jì)出一種銑削自動(dòng)化夾具，并應(yīng)用于生產(chǎn)中，保證工件的加工精度，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到企業(yè)批量生產(chǎn)的目的。

圖3 零件加工

2.2 定位、夾緊裝置的設(shè)計(jì)

要對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行加工，必須要將工件裝夾在機(jī)床上或是夾具中。在工件加工的安裝系統(tǒng)中，需要將工件在夾具中實(shí)現(xiàn)裝夾，而完成裝夾必須具備兩個(gè)條件，即定位和夾緊。要確定工件在夾具中處于正確的位置，并在工件定位后將工件固定，使工件在加工過程中保持定位位置不變。

本安裝系統(tǒng)對(duì)工件的定位關(guān)系，如圖4 所示。工件以2 個(gè)90°短V 形板夾持，使工件側(cè)面和底面定位在固定式V 形板上，約束了工件5 個(gè)自由度，即；然后移動(dòng)活動(dòng)V 形塊頂住圓弧，使工件后面定位在固定式V 形板的后面的1 個(gè)點(diǎn)上，作為工件Y 方向的定位，消除了個(gè)自由度。使工件完全定位在夾具上，保持準(zhǔn)確的位置。

圖4 定位與夾緊分析

2.3 定位誤差分析

六點(diǎn)定位原理解決了約束工件自由度的問題，即解決了工件在夾具中位置“定與不定”的問題。但是，由于一批工件逐個(gè)在夾具中定位時(shí)，各個(gè)工件所占據(jù)的位置不完全一致，出現(xiàn)工件位置定得“準(zhǔn)與不準(zhǔn)”的問題。如果工件在夾具中所占據(jù)的位置不準(zhǔn)確，加工后各工件的加工尺寸必然大小不一，形成誤差。這種只與工件定位有關(guān)的誤差稱為定位誤差，用ΔD 表示。在工件的加工過程中，產(chǎn)生誤差的因素很多，定位誤差僅是加工誤差的一部分，為了保證加工精度，一般限定定位誤差不超過工件加工公差T 的1/5～1/3，即：ΔD≤（1/5～1/3）T。

造成定位誤差ΔD 的原因可以分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分：①由于基準(zhǔn)不重合而產(chǎn)生的誤差，稱為基準(zhǔn)不重合誤差ΔB；②由于定位副制造誤差，而引起定位基準(zhǔn)的位移，稱為基準(zhǔn)位移誤差ΔY。本工件以兩垂直面定位，加工表面必須保證厚度尺寸（44±0.03 mm），由于工件與兩垂直支承面接觸良好，所以ΔY=0。工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)面不重合，按式得0.02cos0°=0.02 mm。因此，ΔD=ΔB=0.02 mm，合格。在實(shí)際加工中可以保證加工的要求。

2.4 零件夾緊方案分析

在機(jī)械加工過程中，工件會(huì)受到切削力、離心力、慣性力等作用。為了保證在外力作用下，工件仍能在夾具中保持由定位元件確定的加工位置而不發(fā)生振動(dòng)和位移，在夾具結(jié)構(gòu)中必須設(shè)置一定的夾緊裝置將工件可靠地夾牢。

2.4.1 切削力分析

金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力，稱為切削力。研究切削力，對(duì)進(jìn)一步弄清切削原理，對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)刀具、機(jī)床、夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有非常重要的意義。

銑削力的計(jì)算公式：

式中 F——切削力，N

ap——銑削層的深度，mm

d——銑刀直徑，mm

fz——每齒進(jìn)給量，mm

B——銑削寬度，mm

z——銑刀齒數(shù)，個(gè)

n——銑刀轉(zhuǎn)速，r/min

加工工件時(shí)，使用最大直徑d 為Φ25 mm 的機(jī)架式合金立銑刀，銑刀齒數(shù)z 為2，每次切削深度ap為0.5 mm，每齒進(jìn)給量fz為0.5 mm，最大銑削寬度B 為18 mm，銑刀轉(zhuǎn)速n 為2000 r/min，則銑削力F 值如下：

經(jīng)過計(jì)算，得到了最大銑削力為60 N。

2.4.2 夾緊力分析

夾緊力的大小對(duì)于保證定位穩(wěn)定、夾緊可靠、確定夾緊可靠、確定夾緊裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，都有著密切的關(guān)系。夾緊力的大小要適當(dāng)，夾緊力過小則夾緊不牢靠，在加工過程中工件可能發(fā)生位移而破壞定位，其結(jié)果輕則影響加工質(zhì)量，重則造成工件報(bào)廢甚至發(fā)生安全事故；夾緊力過大會(huì)使工件變形，也會(huì)對(duì)加工質(zhì)量不利。

兩垂直面定位，側(cè)面夾緊公式：

式中 WK——實(shí)際所需夾緊力，N

K——安全系數(shù)

μ——摩擦系數(shù)

L——定位面寬度，mm

c——夾緊面長度，mm

a——夾緊點(diǎn)高度，mm

F1——X 方向切削力，N

F2——Y 方向切削力，N

該工件體積小，重量輕，切削力不大，按照上面所計(jì)算出的實(shí)際所需夾緊力只有248 N，所需夾緊力非常小。采用德國力士樂科技公司生產(chǎn)的油缸，經(jīng)查表采用ME5 拉桿型活塞直徑為25 mm、活塞桿直徑為12 mm 的液壓油缸夾緊工件，所需的夾緊力大小可以調(diào)節(jié)，每個(gè)液壓油缸提供的夾緊力約250 N，能保證加工的順利進(jìn)行。

3 夾具結(jié)構(gòu)與制造工藝

如圖5 所示，新設(shè)計(jì)的加工中心夾具可一次裝夾3 個(gè)工件，工件以六點(diǎn)定位在夾具體中，并采用液壓油缸夾緊。在加工完一個(gè)斜面以及斜面上的其他加工部位后，采用旋轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)夾具體旋轉(zhuǎn)，使被夾緊的工件繞水平軸旋轉(zhuǎn)翻面。翻面到位后，再對(duì)另一斜面以及斜面上的其他加工部位進(jìn)行加工，使工件能在夾具中一次裝夾加工成型，提高生產(chǎn)效率，增加了機(jī)床的使用范圍。

圖5 夾具結(jié)構(gòu)

4 操作步驟

①操作工人將3 個(gè)工件分別放入夾具體中定位；②工件定位后按下啟動(dòng)開關(guān)，設(shè)備啟動(dòng)，打開拉桿型液壓油缸，推動(dòng)90°活動(dòng)V 形板沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)，將工件夾緊在夾具體中；③夾緊后，打開后端的拉桿型油缸推動(dòng)V 形塊，沿直線導(dǎo)軌使V 形塊頂住工件圓弧，工件Y 方向基準(zhǔn)面貼緊夾具體后面的點(diǎn)，定位并頂緊工件；④工件定位并被頂緊后，進(jìn)行銑削加工，銑削時(shí)間為15 min，加工完成后自動(dòng)吹氣吹去鐵屑，用時(shí)30 s；⑤吹去鐵屑后，設(shè)備自動(dòng)打開后端的拉桿型油缸，油缸回油使V 形塊復(fù)位；⑥V 形塊復(fù)位后，打開旋轉(zhuǎn)液壓缸，通過傳動(dòng)軸、支承座和圓柱滾子軸承的配合，使夾具旋轉(zhuǎn)至夾具體靠住夾具靠板的另一端，旋轉(zhuǎn)到位后，旋轉(zhuǎn)液壓缸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持夾緊狀態(tài)；⑦夾具被夾緊后，前端的拉桿型油缸被打開，使V 形塊頂緊圓??；⑧工件定位并被頂緊后，進(jìn)行另一斜面的銑削加工，銑削時(shí)間為15 min，加工完成后自動(dòng)吹氣吹去鐵屑，用時(shí)30 s；⑨工件加工完成后，夾具前端的拉桿型油缸被回油，使V形塊復(fù)位，旋轉(zhuǎn)液壓油缸反向旋轉(zhuǎn)至夾具體靠住夾具靠板，觸到限位開關(guān)，旋轉(zhuǎn)液壓缸停止旋轉(zhuǎn)，保持夾緊狀態(tài)；⑩拉桿型油缸回油，使90°活動(dòng)V 形板復(fù)位，取出工件。

5 使用后的效果

由使用本夾具后的工序安排可見，將工件正面加工與反面加工合為一道工序，減少了工件的裝夾和手動(dòng)翻面等輔助時(shí)間。使用該夾具，完成3 個(gè)工件的加工時(shí)間大約35 min，每個(gè)工件只需要大約12 min 就可以完成。如果在機(jī)床工作臺(tái)允許的范圍內(nèi)，該夾具還可以進(jìn)行陣列，使得一次裝夾可以生產(chǎn)多個(gè)零件，并保證質(zhì)量穩(wěn)定，大大減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

6 技術(shù)特點(diǎn)

以液壓作為工作動(dòng)力，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，壓緊迅速，夾緊剛性大，工作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)壓力的無級(jí)調(diào)節(jié)與自動(dòng)化、半自動(dòng)化生產(chǎn)，極大提高了工作效率，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，適合大批量生產(chǎn)。夾具以旋轉(zhuǎn)液壓油缸自動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻面加工，工件一次性裝夾后，即可完成對(duì)稱斜面、圓弧溝槽和孔的一系列加工。圓柱滾子軸承可以保證夾具體的位置精度，為高精度銑削加工對(duì)稱斜面提供了可靠保證。

（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提高加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。采用液壓夾具安裝定位，可以快速準(zhǔn)確確定工件與機(jī)床、刀具之間的相互位置，工件的位置精度由夾具保證，不受工人技術(shù)水平的影響，其加工精度高，而且穩(wěn)定。

（2）減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。一般的工裝夾具在生產(chǎn)中，工件夾緊和翻面加工都是由工人手工操作完成的，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，影響生產(chǎn)效率。新工裝比手動(dòng)工裝夾具更方便、省力、安全，在大批量生產(chǎn)中尤為突出。

（3）縮短裝夾時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。用液壓夾具裝夾工件，無需找正便能使工件迅速定位和夾緊，顯著減少了裝卸工件的輔助工時(shí)。用液壓夾具裝夾工件提高了工件的剛性，可加大切削用量。在機(jī)床允許的范圍內(nèi)，還可以使用多件、多工位夾具裝夾工件，這些因素均有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率與安全性。

（4）使用性能好。專用夾具的操作應(yīng)簡便、省力、安全可靠，在客觀條件允許且又經(jīng)濟(jì)適用的前提下，盡可能采用氣動(dòng)、液壓等機(jī)械化夾緊裝置，以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（5）擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍。使用專用液壓夾具可以改變?cè)瓩C(jī)床的用途，擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。

7 結(jié)語

本夾具的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了加工中心自動(dòng)加工的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品形位精度和生產(chǎn)效率有了顯著提高，并大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。本夾具結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思巧妙，操作方便，結(jié)構(gòu)合理，使用靈活，安全可靠，在機(jī)械加工領(lǐng)域具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。