恒力夾持裝置設(shè)計(jì)及磨削實(shí)驗(yàn)研究

邵 娟，霍文國

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

現(xiàn)代加工中夾具既是工裝設(shè)備的主要組成部分也是機(jī)械制造技術(shù)中重要的組成部分。夾具在保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，縮短產(chǎn)品制作周期等等領(lǐng)域都具有一定的意義。目前夾具技術(shù)朝著高精密、高效率、模塊化、組合化、通用性、經(jīng)濟(jì)性的方向上發(fā)展。

本文研究的目的在于配合現(xiàn)當(dāng)代先進(jìn)的制造技術(shù)，對(duì)切削過程中的磨削機(jī)理有一個(gè)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的專業(yè)性研究，為磨削力與磨損機(jī)制的關(guān)系研究提供實(shí)驗(yàn)裝置。在CBN涂層內(nèi)冷卻砂輪的恒力磨削實(shí)驗(yàn)中，必須有一個(gè)配套的夾具，這個(gè)夾具要實(shí)現(xiàn)恒力裝夾以及在磨削過程中實(shí)現(xiàn)測(cè)力。因此，設(shè)計(jì)一套恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本文開展了基于普通銑床、測(cè)力儀等恒力磨削實(shí)驗(yàn)夾具裝置設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)研究。

1.恒力磨拋實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置的目的是為鈦合金用工件磨削時(shí)獲得正確的位置。整個(gè)恒力系統(tǒng)是由壓縮彈簧來實(shí)現(xiàn)的，考慮到工件與砂輪位置調(diào)整，設(shè)計(jì)了由活動(dòng)擋板組成的可移動(dòng)裝置，磨削時(shí)恒力的大小可由固定擋板上的手柄來調(diào)節(jié)，恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)在恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)中是重要的組成部分，一個(gè)夾具性能的優(yōu)劣性主要以夾持部位評(píng)定的，夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否巧妙直接決定加工效率或機(jī)床的使用范圍。夾持機(jī)構(gòu)決定了夾具在生產(chǎn)制造時(shí)的難易程度，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，可降低生產(chǎn)成本，使生產(chǎn)周期變短。從設(shè)計(jì)的工作量來看夾持機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要要考慮夾緊力的大小、方向、作用點(diǎn)等。一般夾持機(jī)構(gòu)需滿足以下要求：

一是在磨削時(shí)由于夾持力使夾具和工件的變形量不能超過允許范圍；

二是定位的準(zhǔn)確性和可靠性不能因夾緊力的大小而變化；

三是實(shí)驗(yàn)在普通銑床完成有一定的振動(dòng)和沖擊，在夾持是必須保證其防松功能，保證夾持機(jī)構(gòu)有一定的強(qiáng)度與剛度；

四是夾持機(jī)構(gòu)必須方便快捷，自動(dòng)化程度高，提高加工效率；

五是夾持機(jī)構(gòu)要符合操作人員的習(xí)慣，省力，安全。

機(jī)床上磨削加工時(shí)具有一定的振動(dòng)和沖擊，因此夾具必須保證有防松功能，保證夾持機(jī)構(gòu)有一定的強(qiáng)度與剛度。磨削實(shí)驗(yàn)中砂輪主要受到法向力的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)X方向尺寸加大保證足夠的強(qiáng)度和剛度，也可使工件裝卡時(shí)工件背面與夾持卡槽底面相貼合，以夾持卡槽底面為定位基準(zhǔn)，保證基準(zhǔn)重合，避免定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合而引起的定位誤差。

3.恒力夾具裝配設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中被磨削的鈦合金是通過夾具進(jìn)行安裝的。結(jié)構(gòu)分為底板、軌道、滑塊、夾頭、活動(dòng)擋板、固定擋板等組成。恒力實(shí)現(xiàn)方法是由壓縮彈簧來實(shí)現(xiàn)的，為在磨削過程中法向受力Fx最大，所以在X軸方向上由彈簧的壓縮來實(shí)現(xiàn)恒力磨削，在Y軸方向上可快速的裝夾工件。夾具設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，裝配中的聯(lián)接關(guān)系都采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓，恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置有四部分組成，分別是裝夾裝置，恒力實(shí)現(xiàn)裝置，恒力調(diào)節(jié)裝置，固定裝置。

圖2 恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置裝配示意圖

4.恒力夾具制作

夾具用鋁合金材料制造，由底板、擋板、夾持部分、恒力裝置、移動(dòng)裝置等組成。將夾具體與測(cè)力儀相連接裝于工件夾在前端夾頭上用于固定，在工件磨削時(shí)用線徑為1.5mm的彈簧給工件實(shí)現(xiàn)恒力，根據(jù)彈簧系數(shù)、彈簧的形變差值可以求出恒力的大小。當(dāng)磨削力大于設(shè)定的恒力時(shí)彈簧變形使工件夾頭向后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒力磨削，若恒力太大可以用移動(dòng)裝置后的手柄來調(diào)節(jié)。與測(cè)力儀連接時(shí)由于夾頭的重力原因測(cè)力儀會(huì)受力影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此在底板設(shè)計(jì)有間距為25mm的孔，可以隨意調(diào)節(jié)測(cè)力儀前后的位置，達(dá)到準(zhǔn)確的測(cè)力方位。制備出的恒力夾具裝置如圖3所示。

圖3 恒力磨削實(shí)驗(yàn)夾具

圖4 恒力磨削測(cè)試裝置

5.恒力磨拋試驗(yàn)方案

恒力磨拋實(shí)驗(yàn)采用SZ-1800v型立式銑床、恒力夾具和測(cè)力儀等共同組成。機(jī)床轉(zhuǎn)速選擇n=1800r/min和n=3600r/min，恒力夾持夾具彈簧系數(shù)選擇進(jìn)給速度vw=100mm/min，磨削工件為TC4合金材料，彈簧彈性系數(shù)選擇為0.3N/mm。將夾具直接裝卡于機(jī)床虎鉗上，在夾緊之前利用百分表找正，沿x方向找正當(dāng)表頭在某一數(shù)值變化微小時(shí)為x已經(jīng)確定，然后找正豎值方向，用同樣的方法找正。調(diào)節(jié)工作臺(tái)使被測(cè)件與砂輪正對(duì)。夾具和砂輪在同一平面上。恒力磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的夾具整體裝配圖如4所示。

本次實(shí)驗(yàn)采用的是Kistler9265B動(dòng)態(tài)三向測(cè)力儀，設(shè)備如圖5所示，在使用軟件前把電子加密狗插入到計(jì)算機(jī)USB口，設(shè)置好各參數(shù)。測(cè)力儀輸出的信號(hào)采用與測(cè)力儀相匹配的Kistler9265B電荷放大器放大傳入采集卡在輸入到計(jì)算機(jī)，測(cè)力儀測(cè)定的力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并由放大器放大后由數(shù)據(jù)采集卡采集并存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，用DynoWare軟件數(shù)據(jù)處理。

圖5 動(dòng)態(tài)三向測(cè)力儀

6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

編制的實(shí)驗(yàn)表格如表1所示，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行。根據(jù)彈簧的彈性系數(shù)等參數(shù)計(jì)算出彈簧產(chǎn)生的恒力，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整恒力磨削實(shí)驗(yàn)裝置的法向磨削力。彈簧的彈性系數(shù)k與彈簧的線徑、彈簧的直徑、彈簧壓縮圈、彈簧的材料有關(guān)。測(cè)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 恒力磨削實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)磨削過程中砂輪所受的力隨時(shí)間的變化關(guān)系，F(xiàn)x為砂輪法向力，隨著時(shí)間而增大；Fy為砂輪的切向力，在磨削過程中變化不明顯，在磨削時(shí)切向力對(duì)工件的力比較??；Fz在整個(gè)磨削過程中沒有變化，在磨削時(shí)工件不受Fz方向的力。