柔性自動(dòng)加工線上氣缸體銑削油殼底面的夾具設(shè)計(jì)

魯 峰 汪楚璇 阮志堅(jiān) 陳君寶

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，十堰 442002；2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384）

機(jī)床夾具是機(jī)床和工件之間的連接裝置，能使加工件相對(duì)于機(jī)床和刀具獲得正確的位置，保證零件和產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。機(jī)床夾具性能的好壞將直接影響工件加工表面的位置精度，因此機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是機(jī)械裝備制造中的一項(xiàng)重要工作。機(jī)床夾具是加工過程中最基礎(chǔ)常用的裝備之一[1]。加工中，夾具通常使用液壓或者氣壓進(jìn)行輔助工作，主要體現(xiàn)在對(duì)工件進(jìn)行夾緊、定位后氣密性檢測(cè)、輔助支撐以及輔助上料上，從而高效快速穩(wěn)定地定位夾緊工件。因此，夾具設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)夾具上液壓和氣壓回路，保證其能夠完成自動(dòng)化加工要求，同時(shí)使加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)效率等指標(biāo)達(dá)到要求，從而獲得最大的效益[2]。

1 工藝分析與方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝分析

某公司9634767080氣缸體在臥式加工中心R10工位上的被加工零件工序圖，見圖1。被加工零件工序圖中，尺寸下方帶“——”的尺寸及其相應(yīng)的表面粗糙度、形位公差均在本道工序保證，其余尺寸及精度則由上道工序R9保證。

圖1設(shè)計(jì)的9634767080氣缸體在R10工位上的夾具，加工時(shí)必須達(dá)到以下要求：

圖1 被加工零件工序圖（單位：mm）

（1）采用硬質(zhì)合金精銑刀盤精銑油殼底面，保證加工后油殼底面相對(duì)于圓柱定位銷軸線A基準(zhǔn)的平行度為0.04，距離為254.23 mm±0.075 mm；

（2）為保證發(fā)動(dòng)機(jī)油殼底面在與油底殼相互配合，在安裝后不會(huì)發(fā)生漏油，要求加工后其平面度為0.04，表面粗糙度Ra2 μm；

（3）為保證發(fā)動(dòng)機(jī)總體安裝尺寸的精確度，使油殼底面與200面的距離為265.78 mm。

1.2 方案設(shè)計(jì)

1.2.1 走刀路線設(shè)計(jì)

本工序是完成9634767080氣缸體上油殼底面的精銑加工，根據(jù)被加工零件工序圖上各項(xiàng)要求進(jìn)行分析。這一工序僅需要精銑油殼底面，加工余量為0.5 mm，表面粗糙度為2 μm。為減少機(jī)床的換刀時(shí)間和銑削加工時(shí)間，提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，可采用Φ160 mm的端面大銑刀一次走刀即可切削完成。具體采用的加工方案見圖2。

圖2 加工示意圖（單位：mm）

刀具切削的路徑為1—2和3—4。為了減少加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，0—1、2—3、4—0為刀具快速定位移動(dòng)，不參與切削加工。這樣一次循環(huán)走刀即可完成R10工位上的全部加工。

1.2.2 刀具選擇

車床加工時(shí)，切削量不大，主要是做好內(nèi)孔尺寸并保持一致性。為保證刀具的使用壽命，必須選擇合適的切削參數(shù)和刀具[3]。在臥式加工中心HMC63上對(duì)端面進(jìn)行精銑加工，端面面積較大，銑削深度為0.5 mm，銑削時(shí)最寬處銑削寬度為102.5 mm，可采用Φ160 mm的端面組合銑刀。端面銑刀的刀片材料選用硬質(zhì)合金YT15，刀盤選用齒數(shù)為26的高碳鋼材料刀盤，主偏角為23°，前角為12°，刀齒斜角為-20°。為了將端面銑刀和機(jī)床連接，要選擇合適的刀柄。結(jié)合HMC63臥式加工中心參數(shù)，選擇高速鋼材質(zhì)的HSK100標(biāo)準(zhǔn)刀柄。

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 定位元件設(shè)計(jì)

在機(jī)械制造領(lǐng)域的零件加工中，為了保證加工精度，提高加工效率，應(yīng)遵循工序集中和減少裝夾次數(shù)的原則[4]。不同類型的套筒在加工過程中的要求不同。例如：薄壁套筒應(yīng)減少裝夾變形，在加工時(shí)應(yīng)選擇合適的裝夾方式；長套筒應(yīng)保證圓度和圓柱度，在加工時(shí)應(yīng)選擇合理的定位方式[5]。

2.1.1 定位方案分析

這一工序僅為精銑油殼底面，定位方式確定為一面兩銷[6]。利用工件的一個(gè)大平面和該平面上與之垂直的兩個(gè)孔進(jìn)行定位，把定位孔的精度提高到與定位精度相匹配的程度。定位一個(gè)平面以限制氣缸體一個(gè)方向的移動(dòng)和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共3個(gè)自由度。利用一個(gè)圓柱銷可限制兩個(gè)移動(dòng)自由度。一個(gè)圓柱銷和一個(gè)菱形銷的配合使用可額外限制一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即達(dá)成了6點(diǎn)完全定位原則，具體設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 定位元件排布設(shè)計(jì)三維圖

2.1.2 定位零件設(shè)計(jì)

一個(gè)平面的定位方式為三點(diǎn)定位原則，但氣缸體的定位面400面為大平面，質(zhì)量為40 kg，屬于較重零件，故其定位設(shè)計(jì)一般采用定位塊進(jìn)行定位，以保證其耐磨性。實(shí)際機(jī)加工過程中，加工精度會(huì)受到諸多因素的影響。通過誤差映射模型分析夾具定位誤差，可以提高夾具的設(shè)計(jì)效率，減小加工誤差[7]。提高檢測(cè)氣壓時(shí)，只有當(dāng)4個(gè)定位塊的檢測(cè)氣壓達(dá)到一定值，并在保壓階段可以保持檢測(cè)氣壓值保持不變時(shí)，才可確認(rèn)兩平面緊密接觸，從而保證工件的正確定位。之后才可以對(duì)零件進(jìn)行后續(xù)加工。根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的定位塊與墊片情況，見圖4、圖5和圖6。

圖4 定位塊設(shè)計(jì)二維圖（單位：mm）

圖5 定位塊三維設(shè)計(jì)模型

圖6 墊片三維設(shè)計(jì)模型

2.2 夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣缸體在夾具上完全定位后，必須采用一個(gè)夾緊裝置將零件牢牢固定在夾具上，使其在加工時(shí)不會(huì)因?yàn)榈毒叩那邢髁?、慣性力等外力而發(fā)生位移或振動(dòng)而對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。此外，穩(wěn)定的加工環(huán)境有助于保障安全生產(chǎn)。

根據(jù)圖1的相關(guān)要求，可設(shè)計(jì)每個(gè)油缸推動(dòng)一個(gè)中間傳力機(jī)構(gòu)，每個(gè)傳力機(jī)構(gòu)夾緊兩個(gè)作用點(diǎn)。液壓夾緊動(dòng)作迅速，工作壓力高，傳動(dòng)力大，傳動(dòng)力時(shí)不需要增力機(jī)構(gòu)，使得夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊。中間傳力機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 中間傳力機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖

軸與油缸相連接獲得軸向動(dòng)力。壓板中間通過銷軸與軸連接，形成一種可微動(dòng)旋轉(zhuǎn)的浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，可消除因?yàn)闅飧左w零件被壓緊作用點(diǎn)與壓板高度差不匹配而引起的壓力不均衡。為了使浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的角度不會(huì)太大。為避免錯(cuò)誤定位壓力作用點(diǎn)，可在右處增設(shè)一個(gè)限位軸。

夾緊元件是夾緊裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與工件直接接觸完成夾緊作用，要求作用接觸點(diǎn)不應(yīng)太大。夾緊壓頭具體設(shè)計(jì)見圖8。

圖8 壓頭三維設(shè)計(jì)圖

壓頭安裝在壓板上，主要起直接壓緊工件的作用。由于被夾緊工件為鑄件，夾緊作用點(diǎn)的表面粗糙，與工件接觸的表面可設(shè)計(jì)為圓弧表面。作用力的方向垂直于壓頭圓弧表面，在保持一定剛度的同時(shí)，可減少與工件的接觸面積。綜合以上各部件的設(shè)計(jì)，裝配的夾緊裝置見圖9。

圖9 夾緊裝置三維設(shè)計(jì)圖

2.3 輔助支撐設(shè)計(jì)

工件在臥式加工中心上加工。通過分析圖1可知，工件采用一面兩銷的方式定位在夾具上。夾緊力從上面垂直向下夾緊，但是刀具的切削面在側(cè)面500面上，導(dǎo)致切削力易造成工件變形和振動(dòng)問題。

加工時(shí)切削力較大，可采用液壓前進(jìn)式支撐缸。它在初始位置時(shí)，支撐頭位于最下端。放好工件并給支撐缸加油壓后，它的內(nèi)部可伸縮式活塞在內(nèi)部液壓下推動(dòng)外部活塞桿在彈簧力下前進(jìn)。接觸到工件后，銅套夾緊活塞桿，并繼續(xù)加壓至鎖死，同時(shí)固定在當(dāng)前位置以支撐工件。具體設(shè)計(jì)外形如圖10和圖11所示。

圖10 DP0361-AS推缸

圖11 LC0551-AL支撐缸

2.4 輔助上料裝置設(shè)計(jì)

氣缸體在使用一面兩銷進(jìn)行定位時(shí)比較麻煩，且氣缸體零件較重，上料困難。為減輕工人工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可設(shè)計(jì)輔助上料裝置。整個(gè)輔助上料裝置主要由液壓油缸、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和托盤3大部分組成。

2.4.1 液壓油缸設(shè)計(jì)

根據(jù)氣缸體和托盤的總質(zhì)量，可選擇公司自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的液壓油缸，具體設(shè)計(jì)見圖12。

圖12 液壓油缸三維設(shè)計(jì)圖

2.4.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低成本，上料裝置僅采用一個(gè)液壓油缸。為防止液壓油缸在舉升和下降時(shí)發(fā)生左右偏移而使零件定位不準(zhǔn)，需要在油缸的左右兩側(cè)設(shè)計(jì)一對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。它的作用是輔助液壓油缸在舉升和下降時(shí)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，具體設(shè)計(jì)見圖13和圖14。

圖13 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖

圖14 導(dǎo)向桿三維設(shè)計(jì)圖

3 定位誤差分析計(jì)算

采用定位銷進(jìn)行定位后，在臥式加工中心上加工時(shí)，所有加工的基準(zhǔn)均以定位銷為準(zhǔn)。因此只要保證定位銷的相對(duì)位置正確，即可保證被加工工件尺寸的正確性。菱形銷尺寸如表1所示。

表1 菱形銷尺寸參考表 單位：mm

設(shè)計(jì)的定位銷的配合的最小間隙0.036 mm小于兩中心孔的尺寸公差±0.05 mm，可見設(shè)計(jì)的定位銷的尺寸及公差滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[8]。

4 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)加工線上氣缸體銑削油殼底面，依據(jù)被加工零件工序圖設(shè)計(jì)了工件機(jī)床加工夾具。為避免拆裝定位銷時(shí)破壞夾具本體，增設(shè)了套筒結(jié)構(gòu)。在盲孔中裝配軸形部件的時(shí)候，可能會(huì)在封閉孔中造成較大的壓強(qiáng)，影響裝配，故在圓柱面上加工一個(gè)槽形結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)部空氣與外部相通，避免裝配時(shí)產(chǎn)生誤差。通過對(duì)缸體進(jìn)行工藝分析、機(jī)床刀具選用以及檢測(cè)分析，明確了夾具整體設(shè)計(jì)方案，最后通過計(jì)算夾緊力，證實(shí)設(shè)計(jì)方案可行，能夠保證定位精度，并提高了工件加工效率。