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        數(shù)銑加工通用裝夾方法

        2018-05-31 02:56:23航宇救生裝備有限公司湖北襄陽441007
        金屬加工(冷加工) 2018年5期
        關鍵詞:虎鉗卡爪鉗口

        ■ 航宇救生裝備有限公司 (湖北襄陽 441007) 韓 陽

        1. 數(shù)銑加工誤差分析

        使用數(shù)控銑床加工工件時,數(shù)控機床、夾具、工件和刀具等組成數(shù)控加工工藝系統(tǒng)。該系統(tǒng)各組成部分之間相互聯(lián)系,最后形成工件與刀具之間的確定位置關系,以確保被加工面的工序精度。影響數(shù)控加工精度的因素很多,如圖1所示。為使系統(tǒng)加工出合格零件,系統(tǒng)中各組成誤差的總和應不超過工序尺寸公差。

        實際零件加工中,數(shù)控機床的誤差和刀具誤差可以穩(wěn)定控制在很小的范圍之內,在不考慮加工變形的情況下,與夾具有關的誤差常常處于不穩(wěn)定的狀態(tài),且成為影響零件加工精度的關鍵要素。

        圖1

        數(shù)銑加工中采用專用夾具是夾緊工件和控制加工誤差的有效方法,但專用夾具的制造周期長,影響了零件的加工進度,往往不能滿足新品研制的需要。因此數(shù)銑加工過程中,在能保證產品設計公差要求的前提下,首先選用通用夾具裝夾工件,以縮短試制產品的制造周期。

        2. 通用夾具使用現(xiàn)狀

        公司試制產品的數(shù)銑加工中,除了少數(shù)零件使用專用工裝和組合夾具裝夾,其余80%左右的數(shù)銑加工零件使用通用夾具裝夾零件。

        使用通用夾具穩(wěn)定可靠地完成零件加工,必須滿足零件裝夾面平整可靠、夾持面積較大及裝夾中不會夾傷零件等條件。近年來,由于公司新型號防護救生產品的功能更強、性能更高,研制產品的機加零件日趨復雜。有些零件看似滿足上述條件,但直接使用通用夾具裝夾,未考慮通用夾具的特性和分析零件裝夾過程中的受力,在加工中常常產生裝夾不可靠、質量不穩(wěn)定的情況,影響零件的生產進度和加工質量。

        目前,公司常用的用于數(shù)銑加工的通用夾具有平口虎鉗、三爪自定心卡盤和頂緊器等。

        3. 平口虎鉗裝夾

        (1)平口虎鉗的構造和原理。平口虎鉗是數(shù)銑加工中最常用的通用夾具,由1條平滑的導軌、1對與導軌垂直的平行平面(鉗口平面)以及螺旋鎖緊裝置組成。通常,虎鉗其中1個平面固定不動,稱作固定鉗口(或死鉗口),這個面在裝夾中一般作為定位基準面使用,另1個面則可以沿著導軌滑動,稱作活動鉗口(或活鉗口),導軌主要用來控制兩個鉗口的相對運動方向,還可以單獨或與墊鐵搭配作為定位元件使用。

        一般情況下,平口虎鉗用于裝夾有兩個平行平面的零件,將基準平面緊貼虎鉗的固定鉗口,零件底面與導軌面或導軌上的墊鐵貼平,然后通過螺旋夾緊機構移動活動鉗口,給零件施加一個力夾緊零件,并利用螺旋副鎖緊活動鉗口。

        (2)虎鉗裝夾受力分析?;Q鉗口受力分析,平口虎鉗裝夾零件銑削加工時,零件加工部分需要露出虎鉗鉗口,一般情況下零件裝夾點在鉗口上端。在理想狀態(tài)下,兩鉗口平面與導軌平面垂直,且兩鉗口平面平行,零件定位和夾緊面平行,鉗口上的作用力都集中在垂直于鉗口的平面上,與鉗口平行方向的分力與由這個分力引起的摩擦力相互抵消,且其對鉗口和零件影響極小,因此研究鉗口和零件上的作用力都簡化為垂直于導軌平面的平面力。

        由虎鉗螺旋夾緊機構在活動鉗口A點施加夾緊力F1,活動鉗口頂緊零件平面,在B點零件給活動鉗口施加反作用力F2,活動鉗口的重力和導軌的支持力較小且互相抵消,可忽略不計。由于A點與B點相對于導軌平面不等高,高度分別為M和N,F(xiàn)1和F2產生對活動鉗口的力矩:M1=F2×N-F1×M。

        該力矩使活動鉗口繞O點順時針轉動,但活動鉗口下部與導軌配合的限位槽限制了活動鉗口的轉動,導軌在活動鉗口P處的力F3使作用在活動鉗口的合力和力矩為0,讓活動鉗口最終處于靜止狀態(tài)。如圖2所示。

        零件受力分析。假設零件為理想的剛性物體,兩裝夾平面平行,虎鉗水平放置。理想狀態(tài)下,活動鉗口施加給零件上的夾緊力垂直于零件表面,但由于活動鉗口與導軌滑動配合處存在間隙,在上述力矩M1作用下,活動鉗口會發(fā)生輕微傾斜,活動鉗口施加于零件上的力F4作用在A點,該力與導軌平面存在夾角D。F4沿垂直于導軌方向的分力為F4a,沿平行于導軌方向的分力為F4b,零件在A點所受重力為G/2,鉗口作用在A點的摩擦力為f1。如圖3所示。

        虎鉗固定鉗口施加在零件上的力F5,作用在零件B點,該力平行于導軌。零件在A點所受重力為G/2,鉗口作用在A點的摩擦力為f2。

        在垂直于導軌方向A、B兩點的合力為零:F4a+G/2+f1=0,G/2+f2=0。

        在平行于導軌方向上A點受到向左的分力F4b,B點受到向右的分力F5,這兩個力大小相等,方向相反。

        (3)平口虎鉗的使用。公司現(xiàn)有普通平口虎鉗和精密平口虎鉗兩種。普通平口虎鉗一般直接安裝在機床工作臺面上,精密平口虎鉗常安裝在拼裝基礎板上,其底面有鍵槽,安裝時可保證虎鉗與拼裝基準面平行。

        公司常用的5種平口虎鉗參數(shù)如附表所示。

        圖2

        圖3

        平口虎鉗的選擇和使用。零件大小與虎鉗大小匹配,較大零件在數(shù)控加工中會使用大尺寸的銑刀或飛刀,單齒去除材料體積的絕對值大,因此切削力較大。

        切削力由銑刀產生,其大小和方向與銑刀的幾何角度、走刀方向和切削參數(shù)有關,這里不進行具體分析。假設該銑削力是一個空間方向的力,作用在零件上,可以將其分解成平行于鉗口方向的力F1、垂直于鉗口方向的力F2,垂直于導軌平面的力F3。垂直于鉗口方向的力F2由零件傳遞作用在鉗口上,具有較強剛性的鉗口產生的反作用力和螺旋副自鎖力遠遠大于該力,確保零件不會移動。F1和F3作用在鉗口平面內,為保證零件不發(fā)生移動,必須有較大靜摩擦力與這兩個力達到平衡。由于最大靜摩擦力等于作用在零件上正壓力和靜摩擦力系數(shù)的乘積,而靜摩擦系數(shù)是固定值,所以要增加靜摩擦力,必須增加作用在零件上的正壓力,也就是平口虎鉗的夾緊力。

        平口虎鉗的夾緊力是由作用于手柄上的原始力矩產生的,但受螺旋副上嚙合齒的強度限制,較大的平口虎鉗的設計夾緊力就大。因此,較大零件的加工,就要選用較大的平口虎鉗。

        零件在虎鉗上的裝夾位置?;Q的最大開口尺寸是指在能施加正常夾緊力的情況下,虎鉗固定鉗口面與活動鉗口面的最大距離。平口虎鉗選用時,零件兩夾持面尺寸必須小于虎鉗開口尺寸。虎鉗最大夾持深度是虎鉗鉗口上表面到導軌面的距離。目前,公司常用虎鉗中的1號虎鉗夾持深度為50mm,最大開口尺寸為350mm。受最大開口尺寸的限制,零件兩夾持面距離尺寸大于350mm就無法用平口虎鉗裝夾加工。

        5種平口虎鉗參數(shù)表

        一般情況下,零件在平行于鉗口方向的尺寸不應大于鉗口寬度,既讓零件在該方向上不伸出虎鉗鉗口,而且零件在垂直于導軌方向伸出鉗口的尺寸盡量小。但受零件形狀不規(guī)則和尺寸較大的影響,不可避免會出現(xiàn)零件懸伸在鉗口之外的情況,這時就要綜合考慮零件的剛性以及加工部位與夾緊力著力點的距離。

        夾緊力著力點盡量靠近被加工部位,可以減少切削力F1、F2對著力點所形成的轉矩M1、M2(見圖4),由此不僅可以減少所需夾緊力F3,而且還可以增強夾緊效果和系統(tǒng)剛性,使工件不易位移、變形及振動。當著力點必須遠離切削部位,造成剛性不足時,可以在盡量接近加工部位處設置輔助支承,或再加上輔助夾緊力,以防止加工時發(fā)生振動,影響加工質量和安全。

        如果零件在平行于鉗口方向的尺寸大于鉗口寬度的兩倍,且定位面較長,可以考慮將兩個平口虎鉗并排放置,將兩虎鉗的固定鉗口調整在一個平面內,兩活動鉗口同時夾緊零件,避免零件懸出虎鉗的長度L2太長,這種方法起到擴展平口虎鉗裝夾范圍的目的。

        若零件在垂直于導軌方向尺寸太大,零件懸出鉗口上方太多,造成零件裝夾不穩(wěn)定,加工中振動大,可以使用以下兩種方法克服虎鉗鉗口深度的限制。

        在兩鉗口面增加墊塊(見圖5a),起到向上延伸鉗口面的目的,減小圖4所示轉矩M1,使裝夾更穩(wěn)定。

        針對尺寸較小的細長零件,可以將虎鉗側放(見圖5b),或將其底面貼合在垂直于工作臺面的基礎板上并固定,避免鉗口深度對零件裝夾范圍的限制。

        小夾持深度的裝夾。某些方形殼體類零件使用平口虎鉗裝夾時,夾持的深度僅有2~4mm,如圖6所示。

        圖4

        圖5

        圖6

        由平口虎鉗夾持零件的受力分析(見圖3)可知,當零件加工時銑刀會產生向上的銑削分力F6。此時,使零件產生向上移動的條件為:使零件產生移動的力大于零件最大靜摩擦力,靜摩擦力的方向與該外力方向相反。

        零件的最大靜摩擦力與摩擦系數(shù)μ和正壓力F4b成正比:Fmax=F4b×μ。

        零件上的正壓力為夾緊力F4在平行于導軌方向上的分力:F4b=F4×cosD。則:Fmax=F4×cosD×μ。

        使零件產生向上移動的力:F=F6+F4×cosD-G/2。

        因此,在虎鉗夾緊力F4不變的情況下,銑削過程中為避免零件發(fā)生位移,增加裝夾的穩(wěn)定性,可通過減小夾緊力的傾斜角D和減小銑削力的向上分力F6來實現(xiàn)。

        由上述虎鉗鉗口受力分析可知,產生夾緊力傾斜角D的原因是零件夾緊力著力點A與B不等高產生對活動鉗口的力矩M1,且活動鉗口與導軌存在配合間隙,間隙越大傾斜角D越大。因此在該類零件的加工中,盡量選擇精度高、活動鉗口與導軌配合間隙小的平口虎鉗。為減小夾緊力傾斜角D,還需選用鉗口深度小的虎鉗,使力臂距離M和N的差值變小,從而減小施加在活動鉗口上的力矩M1。

        減小銑削力的向上分力F6,可減小立銑刀的每層切削深度和切削寬度,并選用尺寸較小、齒數(shù)較多的銑刀,還要盡量選用螺旋角小的立銑刀。

        因為零件的夾持深度小,還必須減小夾緊力,避免造成零件變形。但為保證銑削過程中零件不產生位移,需要增大夾緊力。因此,夾緊力的確定和控制尤為重要。實際生產中,根據(jù)不同的零件形狀和材質,可通過經驗和加工試驗確定所需夾緊力,并使用力矩扳手來控制實際夾緊力大小。

        4. 三爪自定心卡盤裝夾

        (1)三爪自定心卡盤的構造和原理。三爪自定心卡盤由卡盤體、活動卡爪和卡爪驅動機構組成。三爪自定心卡盤上3個卡爪可在卡盤體上均布且通過卡盤中心的徑向槽內移動。將扳手插入卡盤體側面任一齒輪方孔中,轉動扳手,卡爪驅動機構帶動3個卡爪同時趨近和離散卡盤中心??ㄗΦ囊苿涌捎脕韸A緊和定位具有圓柱形、正三角形或正六邊形等形狀的零件。三爪自定心卡盤具有自行對中的功能,對中精確度為0.05~0.15mm。

        (2)三爪自定心卡盤裝夾受力分析。三爪自定心卡盤的單個卡爪受力與虎鉗的活動鉗口類似,扳手帶動卡爪驅動機構將夾緊力作用在單個卡爪上,卡爪給零件施加夾緊力,零件給卡爪反作用力??ㄗνㄟ^與零件的靜摩擦力將零件固定在3個卡爪的中心。

        (3)三爪自定心卡盤的使用。三爪自定心卡盤裝夾的零件一般為旋轉體零件,大多數(shù)情況使3個卡爪同時趨近夾緊零件的外圓柱面,如若使用內圓柱面定位,則利用3個卡爪同時離散運動,用卡爪的另一邊(又稱“反爪”)將零件夾緊。

        當數(shù)銑加工要求的定位精度小于卡爪的裝夾精度時,可制作軟爪來提高卡爪定心精度或端面定位精度。在3個卡爪內側分別焊上3個銅棒,將卡盤固定在數(shù)銑工作臺上,用卡爪下部夾緊一個準備好的圓柱體(用來給卡爪預緊力,消除卡爪驅動機構間隙的影響),在3個銅棒上加工出定位用的內圓和端面。使用軟爪裝夾的對中精確度可以達到0.03~0.05mm,端面定位精度達到0.04~0.08mm。

        用三爪自定心卡盤裝夾薄壁零件時,常常由于夾緊力過大且著力點集中在零件的3個點上,如圖7a所示,極易造成零件變形,甚至超差報廢。為此,需要制作開口襯套,將其放置在零件外圓和卡爪之間,如圖7b所示,卡爪的夾緊力作用于開口襯套外圓上,開口襯套內壁將夾緊力分散傳遞到零件的外表面,由于每個著力點上的作用力遠遠小于每個卡爪的夾緊力,避免零件受力過大產生塑性變形。

        開口襯套內孔和外圓保持同心,內孔直徑比零件外圓大0.1~0.2mm,以防襯套開口后變形造成不易裝入零件。襯套內孔表面粗糙度值小于零件表面粗糙度值,且無毛刺,避免對零件表面的劃傷。當定位基準為外螺紋時,可將定位內孔加工為相同尺寸內螺紋。開口襯套必須與零件不同材料,以防襯套與零件貼合太緊密造成零件表面的粘連損傷。

        5. 側向頂緊器裝夾

        圖7

        側向頂緊器不能單獨裝夾零件,需要與拼裝元件配合使用。與虎鉗裝夾一樣,側向頂緊器裝夾的零件需要有兩個平行的裝夾平面。當零件太大、超過平口虎鉗的開口尺寸或不方便在虎鉗周圍安裝輔助支承時,則可使用側向頂緊器。

        側向頂緊器適合裝夾大型板類零件。零件底面在拼裝基礎板上定位,基礎板上安裝拼裝塊用于定位零件一側平面(相當于虎鉗的固定鉗口),在對應的平行平面處安裝側向頂緊器用于施加夾緊力(相當于虎鉗的活動鉗口)。側向頂緊器由基體、頂緊塊和壓緊螺釘組成,基體頂緊側有與底面法向傾斜20°~30°的燕尾滑槽,頂緊滑塊在壓緊螺釘?shù)淖饔孟驴裳匦被刍瑒?,從而產生側向的頂緊力F和頂緊移動動作。如圖8所示。

        圖8

        側向頂緊器的優(yōu)點:由于定位塊和側向頂緊器分別安裝,其布置更加靈活方便,適用的裝夾范圍更廣。側向頂緊器通過頂緊塊向下移動頂緊零件,在接觸到零件表面并施加正壓力的情況下,零件會產生摩擦力的反作用力,使零件向下貼緊定位面,使定位更準確,裝夾更可靠。

        [1] 成都工業(yè)學校.機床夾具設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990.

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