橋殼中段臥式雙面數(shù)控鏜床專機(jī)夾具設(shè)計(jì)

牟永凱

“工欲善其事，必先利其器”，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)變成多樣性，夾具成為產(chǎn)品加工過程中的利器。如何優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)，保證對(duì)產(chǎn)品加工進(jìn)行有效的控制，提升產(chǎn)品加工效率，成為工藝工程師亟待解決的問題。本文作者選取公司加工的典型產(chǎn)品，介紹了產(chǎn)品在珩磨加工過程中裝夾方法，通過對(duì)夾具優(yōu)化、相似性夾具應(yīng)用，有效減少了產(chǎn)品加工過程中夾具的數(shù)量，并通過合理夾具設(shè)計(jì)提升了產(chǎn)品加工效率和加工精度，使產(chǎn)品的工藝性、經(jīng)濟(jì)性得到了顯著提高。

1 夾具智能設(shè)計(jì)原理

關(guān)于夾具智能化的設(shè)計(jì)原理其實(shí)很簡(jiǎn)單的，大概的流程就是需要有各種數(shù)據(jù)參數(shù)的輸入、設(shè)計(jì)決策、智能化夾具數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)和夾具的各種數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)輸入最重要的就是各種需要加工的零部件的數(shù)據(jù)和加工的方法；設(shè)計(jì)的決策主要包括各種工件的定位、裝載夾具的方法和各種布局的規(guī)劃。在整個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)的中，就要對(duì)定位的準(zhǔn)確的和夾具的夾緊力進(jìn)行記錄，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，看是否能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，最后再針對(duì)有問題的地方進(jìn)行調(diào)整，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

2 機(jī)床夾具庫開發(fā)

模塊化設(shè)計(jì)。

2.1 模塊的劃分

設(shè)計(jì)分為整體設(shè)計(jì)和模塊化的設(shè)計(jì)，其中模塊化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是依照從上到下的順序?qū)φ麄€(gè)的夾具庫進(jìn)行一個(gè)劃分，通過這樣的方法一方面能夠體現(xiàn)出這些模塊之間的關(guān)系，另外一方面也能表現(xiàn)出各個(gè)模塊的不同，采用這種方式可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行精準(zhǔn)的選擇。

2.2 模塊的創(chuàng)建

關(guān)于模塊的創(chuàng)建過程沒有一個(gè)明確的規(guī)定，只是利用各個(gè)不同模塊的功能進(jìn)行類型的劃分，尤其是每一種不同的模塊它的創(chuàng)建過程都是不一樣的，包括主要的內(nèi)容和供給方面。這種模塊創(chuàng)建的主要目的就是進(jìn)行設(shè)計(jì)不同的功能，用于不用的設(shè)備。以下就是幾種創(chuàng)建的規(guī)則：

（1）典型夾具案例模塊。對(duì)于這種案例就可以通過數(shù)據(jù)庫找到，這種案例表示國內(nèi)和國外都有使用過這種夾具，尤其對(duì)于構(gòu)造方面就比較復(fù)雜，其中就有車床夾具和銑床夾具，再利用層次進(jìn)行劃分，這樣做的目的就是建立更多的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，供以后參考。

（2）標(biāo)準(zhǔn)件模塊。和典型模塊相比，標(biāo)準(zhǔn)件模塊的內(nèi)容更加豐富，其中就有各個(gè)元素的結(jié)構(gòu)、規(guī)模和繪畫等，這種分類大多都是根據(jù)夾具和每個(gè)組件的功能不同，也都是按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。每一步的劃分都是在不斷的細(xì)化，到最后大概就是類別、系、組和標(biāo)準(zhǔn)件這樣的排序。利用這種方法我們就可以很清楚，通過設(shè)計(jì)就要將模塊分類，這樣可以方便用戶和設(shè)計(jì)師們。關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)件模塊需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)比較完整的圖形庫，在這個(gè)創(chuàng)建的過程中主要用到的就是參數(shù)化的設(shè)計(jì)技術(shù)。通過參數(shù)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)圖形的控制，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，在一定程度上提高夾具的設(shè)計(jì)效率。

（3）非標(biāo)準(zhǔn)件模塊。由于各種因素的不同影響不同，所以夾具的類型也就有了標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件，就好比夾具的支架和鉆孔模板就需要在設(shè)計(jì)時(shí)候收集各種參數(shù)數(shù)據(jù)，然后再將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，用圖片和文字的形式建立夾具非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)床的設(shè)計(jì)，根據(jù)自己的需求來確定具體的參數(shù)，然后再根據(jù)用戶的需求進(jìn)行修改，最后完成一個(gè)能夠滿足要求的設(shè)計(jì)。

（4）分析計(jì)算模塊。關(guān)于機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)主要包括定位和裝夾兩部分，在機(jī)械加工的過程中程序比較多，復(fù)雜性也高，在這個(gè)過程中就會(huì)有很多的因素的干擾，為了不讓這些因素影響到加工產(chǎn)品的質(zhì)量，就要想辦法在一定程度上降低這些因素的影響程度，并且也要分析這些因素造成的誤差范圍，一般都是會(huì)由于加工發(fā)熱引起變形產(chǎn)生誤差的。機(jī)床里比較容易出現(xiàn)夾具定位的誤差，會(huì)因?yàn)閼T性發(fā)生改變和移動(dòng)，這樣也會(huì)使工件的參考面和定位元件的接觸面之間摩擦出現(xiàn)變形，在一定程度上會(huì)發(fā)生位移，最后導(dǎo)致誤差的發(fā)生。關(guān)于定位和夾緊部件在一定情況下，要主要關(guān)注安裝的地方，使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行操作，只要誤差在這個(gè)范圍內(nèi)，就可以滿足設(shè)計(jì)的要求。往往使用的就是科學(xué)的加工方法，但是也要保證在加工設(shè)計(jì)的過程中產(chǎn)生的一些誤差要在規(guī)定誤差的范圍內(nèi)，不能超出這個(gè)范圍，否則就是不滿足要求，也會(huì)判定加工設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不合格。不僅如此，也要在這個(gè)過程中進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的記錄，通過數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，檢查設(shè)計(jì)是否滿足要求，所以關(guān)于誤差和數(shù)據(jù)的計(jì)算非常重要，直接關(guān)系到這種類型機(jī)床的使用，通過這種方法進(jìn)行分析，來確保該設(shè)計(jì)是否滿足要求。

3 橋殼中段兩端加工工藝分析

3.1 橋殼中段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

關(guān)于橋殼中間部分的特點(diǎn)就要根據(jù)其具體的組成成分和部件來確定，它是用各種厚度不等鋼板進(jìn)行特殊處理，再經(jīng)過焊接的方式焊接在一起，變成了一種薄壁異形件。如果對(duì)臥式雙面數(shù)控鏜床的兩邊進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行工作，那負(fù)荷作用就會(huì)很大。所以在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)的過程中，一定要考慮好合理的定位夾緊方法，還要對(duì)夾緊剛度和變形更加關(guān)注，最主要的就是要在一定程度上實(shí)現(xiàn)加工不同類別就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)的轉(zhuǎn)換，這是非常重要的。

3.2 被加工零件情況

在進(jìn)行加工產(chǎn)品之前，一定要先了解清楚該產(chǎn)品的性能和屬性，能不能用這種方法加工，或者這種方法加工會(huì)產(chǎn)生什么樣的誤差，這些都是在加工之前進(jìn)行。對(duì)于后橋殼中斷這個(gè)加工，它的一個(gè)最基本的就是琵琶孔及面已粗加工，兩端尖頭的加工余量要小于等于3mm，不能超過這個(gè)范圍。關(guān)于定位的標(biāo)準(zhǔn)就是橋殼的兩端、琵琶孔和琵琶面。工件的主要材料就是Q460C、16Mn、16MnL。加工的內(nèi)容方面主要是平端面、倒坡口、鏜內(nèi)孔和車外圓這四個(gè)方面。加工的速度就是每一件大于3min。采用的加工方法就是利用每端兩把車刀，數(shù)控系統(tǒng)控制徑向和軸向走刀。采用的加工設(shè)備就是橋殼中段臥式雙面數(shù)控鏜床專機(jī)。

3.3 夾具裝夾工藝分析

（1）機(jī)床對(duì)夾具工藝要求。由于加工機(jī)床的特殊性，所以就對(duì)夾具有了更高的要求，尤其在工藝方面要求更是嚴(yán)格。加上橋殼的特殊性，兩端呈現(xiàn)為毛坯，直徑的尺寸各不相同，大致的直徑范圍一般是150mm ～170mm 之間。如果在保證每次裝夾位置不發(fā)生改變，就會(huì)采用液壓自定心夾具。所以橋殼中琵琶孔的直徑是可以調(diào)節(jié)的尺寸，不同類別的直徑尺寸就不一樣，大概的范圍就是391mm ～456mm 之間。如果想要在一定程度上要滿足兩爪內(nèi)脹的距離比較大，就應(yīng)該采用行程比較大的機(jī)構(gòu)，橋殼的琵琶面和夾緊中心的大約距離范圍是90mm ～98.5mm 之間。在一定程度上為了使琴的表面處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)候就需要利用具有彈性的浮動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)。橋殼的型號(hào)不同它的總長(zhǎng)度的大概范圍就是1200mm ～1500mm 之間，這樣就能保證一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過程。

（2）定位基準(zhǔn)。一般情況下定心是由橋殼兩端的液壓來確定的，而中心高就是依靠夾具來確定，中間的部分就是根據(jù)夾具確定軸向和角向。

（3）夾緊方式。通常情況下采用的夾緊方式就是利用橋殼兩端的液壓進(jìn)行自動(dòng)夾緊。

（4）加工方式。加工的方式采用的是干式粗略加工的方法來進(jìn)行。

（5）工件切換。要對(duì)不同類型的產(chǎn)品加工，其對(duì)應(yīng)的各種加工程序和夾具的位置都是不一樣的，這時(shí)候就要選用更多的產(chǎn)品類別，進(jìn)行不同的切換加工。

（6）夾具在一定程度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，可以進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)，這個(gè)過程不需要人工的操作，這樣既節(jié)省時(shí)間又可以提高效率。

（7）在進(jìn)行加工的時(shí)候，一定要特別注意整個(gè)夾具的堅(jiān)硬程度，避免各種產(chǎn)生振動(dòng)，在一定程度上保證加工的精確度。

（8）在設(shè)計(jì)的同時(shí)，也要考慮各種操作是否便利。

（9）也要考慮后期的維修情況。

4 工裝夾具設(shè)計(jì)

4.1 工裝夾具整體方案

本夾具是根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)的，使橋殼兩端同時(shí)加工。這個(gè)夾具是專門用于臥式雙面鏜數(shù)控專用機(jī)床的，它的主要組成部分就是2 個(gè)自定心夾具和雙夾緊的橋殼定位。直徑在規(guī)定范圍內(nèi)變化，無需更換v 型塊定位墊；該夾具用于將指定直徑的琵琶孔與指定直徑高中心的琵琶面分開；采用兩端數(shù)控電動(dòng)油缸調(diào)整滑塊左數(shù)控電動(dòng)缸調(diào)整滑臺(tái)、右數(shù)控電動(dòng)缸調(diào)整滑臺(tái)，調(diào)整自定心夾具的正確定位和裝夾位置，使橋殼總長(zhǎng)度在規(guī)定范圍內(nèi)。其工作原理為：使用攤鋪機(jī)將琵琶置于橋殼中間并面朝下的彈性平面上，并隨橋殼落在一起的兩端合起自扶正器預(yù)先設(shè)定的V形，在伸縮的爪孔中配點(diǎn)，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)自定心夾具自動(dòng)夾緊橋殼兩端圓柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋殼的定位夾緊。

4.2 液壓自定心夾具設(shè)計(jì)

液壓自定心夾具的運(yùn)行方式就是根據(jù)液壓缸內(nèi)的活塞桿的驅(qū)動(dòng)，再加上各個(gè)齒輪之間的摩擦帶動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)v 形塊左右的聯(lián)動(dòng)，最后直接到橋殼的外圓。其主要的作用就是氣缸活塞帶動(dòng)上齒條將右v 形塊移到中心，上齒條通過齒輪換向帶動(dòng)下齒條向相反方向移動(dòng)。安裝在下齒條機(jī)架上的左側(cè)v 型塊與右v 型塊同步向中心移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件橋殼外圓的自動(dòng)定心。自定心夾具有一組左右兩側(cè)，分別夾緊橋架殼體兩端的外圓，以確定工件的中心高度。由于是v 型自定心結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)外圈直徑150mm ～170mm，無需更換任何部件。

4.3 內(nèi)脹分中扶平夾具

內(nèi)膨脹在平夾具上的工作原理：液壓馬達(dá)為動(dòng)力，通過齒輪驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿驅(qū)動(dòng)螺母驅(qū)動(dòng)內(nèi)膨脹爪反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)魯特孔內(nèi)的定位；在彈簧力的作用下，一個(gè)平面沿導(dǎo)桿垂直上下運(yùn)動(dòng)，始終接觸琵琶面，實(shí)現(xiàn)富平琵琶面的角定位。具體行動(dòng)：通過齒輪液壓馬達(dá)推動(dòng)積極的和消極的螺釘旋轉(zhuǎn)，積極和消極的左絲杠螺母和右絲杠螺母擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)左、右爪幻燈片走向?qū)Ψ?，左右脹爪安裝在擴(kuò)張幻燈片朝著對(duì)方的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)琵琶洞。伸縮爪的結(jié)構(gòu)行程大，可滿足不同琵琶孔直徑的需要。支撐板在彈簧的作用下，沿導(dǎo)向桿垂直移動(dòng)支撐橋殼的琵琶面，實(shí)現(xiàn)工件的角度定位。

4.4 數(shù)控電動(dòng)缸調(diào)整裝置

數(shù)控電動(dòng)油缸調(diào)整裝置它的工作原理就是通過伺服電機(jī)通過滾柱絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更改為電動(dòng)氣缸推桿的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑板的數(shù)控的自動(dòng)調(diào)節(jié)。左調(diào)節(jié)滑塊由左伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，右調(diào)節(jié)滑塊由右伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。調(diào)整左右滑板安裝在同一個(gè)導(dǎo)軌體上，共用一個(gè)燕尾導(dǎo)軌，以保證調(diào)整后的位置精度。

5 夾具的設(shè)計(jì)發(fā)展方向及思路推廣應(yīng)用

5.1 夾具的設(shè)計(jì)發(fā)展方向

柔性制造技術(shù)作為現(xiàn)代化制造技術(shù)，對(duì)工裝夾具設(shè)計(jì)也提出了柔性化要求。為體現(xiàn)柔性化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的工裝夾具需要采取組合、調(diào)整等方式適應(yīng)工藝可變因素，如工序特性、工件尺寸等，能夠滿足多品種、小批量產(chǎn)品加工需求。目前，常見的柔性化夾具包含通用可調(diào)夾具、模塊化夾具等，帶有專業(yè)性特點(diǎn)的同時(shí)，能夠通過拆卸結(jié)構(gòu)調(diào)整夾具?？梢酝ㄟ^調(diào)整夾爪手指圓周分布擴(kuò)大適用范圍，用于抓取球狀、圓柱體等各種形狀的工件。在柔性化發(fā)展背景下，自動(dòng)化夾具應(yīng)用范圍日漸廣泛。該類夾具是基于組合夾具系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的，能夠通過幾何驗(yàn)算確定夾具構(gòu)形中力的鎖合情況，實(shí)現(xiàn)夾緊點(diǎn)和順序優(yōu)化。根據(jù)工裝夾具產(chǎn)生的接觸變形和切割力引發(fā)的工件彎曲變形，能夠重新進(jìn)行支撐和夾緊位置排布，做到牢固、精確夾緊工件。通過搭建產(chǎn)品模型知識(shí)庫，能夠生成自動(dòng)夾具的各主要模塊，獲得夾具最終構(gòu)形。根據(jù)自動(dòng)化程度，組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以劃分成半自動(dòng)化和交互式兩類，輔助設(shè)計(jì)者合理選擇適合夾具元件的模塊。根據(jù)工件形狀、加工要求等進(jìn)行夾具元件選擇，可以依靠系統(tǒng)智能算法進(jìn)行分析，有效提高夾具設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。而在交互式系統(tǒng)中，完成夾具元件選擇后可以利用加工干涉檢測(cè)子模塊，確認(rèn)切割工具和夾具等是否會(huì)發(fā)生干涉。將夾具部件模型簡(jiǎn)化成二維輪廓模型，實(shí)現(xiàn)信息高度集成，能夠有效完成夾具設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證 。

5.2 設(shè)計(jì)思路推廣應(yīng)用

將此夾具設(shè)計(jì)思路廣泛推廣應(yīng)用公司多項(xiàng)產(chǎn)品的珩磨及其他工序夾具設(shè)計(jì)中，以公司產(chǎn)品3972-4 的兩道珩磨工序?yàn)槔?972-4 也是筒體類產(chǎn)品，45 工序是粗珩磨，110 工序是精珩磨。與上例不同的是此產(chǎn)品較長(zhǎng)，達(dá)到了706mm，所以在45 工序珩磨時(shí)現(xiàn)有的珩磨夾具都不能借用（若借用現(xiàn)有夾具，就無法使用機(jī)床附帶的氣動(dòng)壓板），需要重新設(shè)計(jì)。100 工序和45 工序產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形從外圓加工為異形，按照新的設(shè)計(jì)思路，盡量使用已有的夾具，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化的比較，重新設(shè)計(jì)了一個(gè)過渡襯套，在110 工序時(shí)配合45 工序夾具一起使用。通過此思路來優(yōu)化設(shè)計(jì)夾具，對(duì)公司多項(xiàng)產(chǎn)品夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行普及、推廣應(yīng)用，同時(shí)對(duì)新訂單中產(chǎn)品的尺寸形狀進(jìn)行分析，結(jié)合同類型產(chǎn)品已有夾具，可快速高效的加工更多的產(chǎn)品，提升了產(chǎn)品的加工效率，滿足了產(chǎn)品交付節(jié)點(diǎn)，獲得了客戶的好評(píng)。

6 結(jié)語

本文主要通過對(duì)夾具的使用原理、開發(fā)利用、加工工藝、設(shè)計(jì)方式以及使用做了具體的分析，根據(jù)這些方面的了解，再加上主機(jī)對(duì)于工藝的特殊要求，該設(shè)備主要用于自動(dòng)化的生產(chǎn)方面，未來的發(fā)展可能就是由機(jī)器人來進(jìn)行操作，沒有更多人為操作。其中如果要進(jìn)行類別的更換就只需要用掃碼槍進(jìn)行識(shí)別就可以了，不用再進(jìn)行手動(dòng)操作。這種數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行識(shí)別然后操作，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的加工。這種夾具的設(shè)計(jì)已經(jīng)被開始試用，如果后期效果好，就會(huì)被廣泛的使用，如果有些指標(biāo)不符合要求，就要進(jìn)行優(yōu)化，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這就在一定程度上提高了工作的效率。