王黎航 馮仁專 陳亦天

中圖分類號(hào)：TG751.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（a）-0098-05

摘? ?要：鴨嘴錘的制作作為很多學(xué)校金工實(shí)習(xí)中重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，起到了鍛煉學(xué)生基本金工操作的作用，通過(guò)參與鴨嘴錘的制作過(guò)程，使學(xué)生充分了解數(shù)控銑削加工中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)并熟練掌握。當(dāng)前鴨嘴錘的制作夾具未在相關(guān)文獻(xiàn)及專利中提出，本文針對(duì)一種鴨嘴錘制作需求，設(shè)計(jì)了專用夾具。通過(guò)使用該夾具，可以起到便于鴨嘴錘銑削加工的作用，從而提高了鴨嘴錘的制作精度。并通過(guò)有限元法，對(duì)夾具進(jìn)行了有限元分析，得到了不同狀態(tài)下的算例結(jié)果。結(jié)果表明，本文提出的夾具滿足尺寸加工要求、滿足實(shí)際加工需求、具有推廣普及意義。

關(guān)鍵詞：鴨嘴錘? 數(shù)控銑床? 夾具設(shè)計(jì)? 有限元分析

Abstract： As an important teaching link in metalworking practice in many universities， duck-billed hammer plays an important role in training students' basic metalworking operation， by participating in the production process of duck-billed hammer， students can fully understand the various links in NC milling and operate skillfully. At present， the jig for making duck-beak hammer is not mentioned in the relevant literature and patents. This paper designs a special jig for making duck-beak hammer.By using the fixture， it can play the role of facilitating the milling process of duck-billed hammer， thus improving the manufacturing accuracy of duck-billed hammer. Through the finite element method， the static analysis and processing analysis of fixture are carried out， which can lead to our numerical results under different conditions. The results show that the fixture proposed in this paper meets the requirements of dimension processing， actual processing and it's worth to be populared.

Key Words： Duck-billed Hammer; NC milling machine; Fixture design; Finite element analysis

金工實(shí)習(xí)是機(jī)械類、近機(jī)類以至管理類專業(yè)的重要實(shí)踐性課程[1]。金工實(shí)習(xí)注重學(xué)生的參與，讓學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)和分析問(wèn)題，并嘗試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和理論解決問(wèn)題[2]。通過(guò)金工實(shí)習(xí)，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力、發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[3]。數(shù)控銑削作為工程訓(xùn)練中心的主要教學(xué)單元，在傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮了重要作用[4]?，F(xiàn)有數(shù)控銑削實(shí)習(xí)中有很多學(xué)校使用鴨嘴錘作為金工實(shí)習(xí)課題。鴨嘴錘的制作，要求學(xué)生必須嚴(yán)格按照工序，能夠熟練使用銑床加工、量具測(cè)量，從而完成一系列金工操作[5]。并且通過(guò)實(shí)踐使得學(xué)生掌握多種基本操作，在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的工具制造能力。

在大多數(shù)的零件加工過(guò)程中，都需要使用各種夾具，夾具設(shè)備在加工環(huán)節(jié)中起到了至關(guān)重要的作用[6]。夾具具有提高加工效率、提高加工精度、擴(kuò)大機(jī)床使用范圍、有效降低加工成本等作用[7]。目前已經(jīng)有應(yīng)用于各類工件中的銑削夾具，如保證低剛性板類工件的加工質(zhì)量的夾具、適用于形狀復(fù)雜的氣缸連接盤工件的夾具、針對(duì)多個(gè)專門工件的夾具。但現(xiàn)有技術(shù)中鴨嘴錘的制作夾具未在相關(guān)文獻(xiàn)及專利中提出，存在學(xué)生加工難度大，加工質(zhì)量與加工精度控制不易等問(wèn)題。由此，根據(jù)鴨嘴錘工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工工藝，設(shè)計(jì)了兩種夾具來(lái)解決上述問(wèn)題。

為在理論上證明夾具方案的可行性，使用有限元分析的方法，對(duì)方案進(jìn)行分析并驗(yàn)證。有限元是把一個(gè)物體劃分為一定數(shù)量的單元，這些單元通過(guò)一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)相互連接，所受的節(jié)點(diǎn)載荷與實(shí)際載荷相互等效[8]。根據(jù)力和力矩的平衡條件進(jìn)行分析，最后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成能夠整體進(jìn)行綜合求解[9]。其中本次實(shí)驗(yàn)使用SolidWorks軟件，通過(guò)3D建模技術(shù)建立工件和夾具的模型，使用靜力分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算切削力和夾緊力，帶入軟件進(jìn)行有限元分析，求得算例結(jié)果[10]。結(jié)果表明，本文提出的夾具滿足尺寸加工要求、滿足實(shí)際加工需求、具有推廣普及意義。

1? 鴨嘴錘加工工藝

1.1 一般鴨嘴錘加工工藝過(guò)程

以一種鴨嘴錘為例，對(duì)其加工工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

（1）下一塊14.0mm×14.0mm×68.0mm的黃銅方料，先將方料橫向裝夾于銑床上的平口鉗上，銑端面至平整;掉頭安裝，以銑平整的面作為基準(zhǔn)面，控制65.0mm的尺寸精度再次進(jìn)行銑端面。

（2）將工件以45°傾斜的角度固定在銑床上的平口鉗上，工件靠平口鉗的預(yù)緊力裝夾牢固，通過(guò)銑床依次完成四個(gè)頭部倒角的銑削，倒角尺寸為1.0mm×1.0mm。

（3）利用四爪自動(dòng)定心卡盤固定工件，依次完成四個(gè)側(cè)邊倒角的銑削，倒角尺寸為3.0mm×3.0mm。

（4）將工件水平裝夾于銑床上的平口鉗上，完成2.5mm深度的平面銑削，平面長(zhǎng)度為30.0mm。

（5）將工件以19°傾斜的角度固定在銑床上的平口鉗上，工件靠平口鉗的預(yù)緊力裝夾牢固，通過(guò)銑床完成頭部倒角的銑削，銑削至如圖1步驟（5）所示的尺寸。

（6）將工件先固定在鉆床上，使用直徑為6.8mm的鉆頭鉆孔，再將工件固定在臺(tái)虎鉗上，使用M8的絲錐攻絲。

整個(gè)鴨嘴錘加工工藝過(guò)程如圖1所示。

1.2 工藝過(guò)程的問(wèn)題

鴨嘴錘是一種形狀結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的零件，但加工易變形且加工精度要求高，特別是端部倒角、傾斜斜面的加工，如圖1所示。一般鴨嘴錘加工工藝過(guò)程中，步驟（2）、（4）在現(xiàn)有平口鉗的裝夾方式下，難以保證角度加工。因?yàn)?，?5°傾斜端部加工、19°傾斜斜面兩個(gè)加工過(guò)程中，需要夾具對(duì)待加工的零件進(jìn)行固定，讓零件在加工過(guò)程中，始終維持著準(zhǔn)確的定位。

2? 鴨嘴錘夾具的設(shè)計(jì)

2.1 夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程

基于上述問(wèn)題，在45°傾斜端部加工、19°傾斜斜面兩個(gè)加工過(guò)程中，進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。

在夾具設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到了以下問(wèn)題。

（1）工件的裝夾簡(jiǎn)易性。出于拆裝方便與實(shí)際加工的角度考慮，工件與夾具之間選用間隙配合，并且?jiàn)A具的槽深小于工件的寬度，依靠臺(tái)虎鉗對(duì)工件兩端的壓力固定。

（2）加工的干涉性。由于此夾具用于銑削加工，因此夾具的設(shè)計(jì)要考慮到實(shí)際加工時(shí)與銑刀是否存在干涉現(xiàn)象，適當(dāng)設(shè)計(jì)凹型臺(tái)階能避免干涉。

（3）工件的規(guī)范性。絕大多數(shù)的工件表面的平面度并非很高，而且經(jīng)過(guò)圖1所述步驟（1）的銑削加工后，工件尾端必然會(huì)存在毛刺，因此設(shè)計(jì)的夾具需要減少毛刺現(xiàn)象對(duì)加工精度造成的影響。

為了保證兩個(gè)步驟角度的均勻性，定位基準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的選擇要做到統(tǒng)一。在夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工件的底端與后端應(yīng)作為的定位點(diǎn)[11]。為了保證夾具的穩(wěn)定性，夾具的裝夾必須完全定位[12]。

2.2 夾具的特點(diǎn)及使用

綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖所示的夾具，能夠結(jié)合平口鉗使用，用于鴨嘴錘頭部倒角加工和鴨嘴斜面的加工，裝夾方便，加工精度高。通過(guò)建立了夾具和工件三維模型，完成裝配，所設(shè)計(jì)的夾具方案滿足尺寸要求。本鴨嘴錘夾具結(jié)合平口鉗，從而輔助鴨嘴錘的銑削加工。

上述夾具a在使用過(guò)程中，所述倒角加工裝夾面中部設(shè)有倒T型槽，倒T型槽內(nèi)配合有鴨嘴錘。所述倒T型槽由豎向槽和橫向槽組成，豎向槽與橫向槽相垂直，豎向槽與Y軸正方向呈45°夾角，豎向槽的槽寬大于鴨嘴錘的寬度，從而確保鴨嘴錘于槽內(nèi)間隙配合。所述倒T型槽的槽深均小于鴨嘴錘的寬度，從而確保鴨嘴錘由平口鉗與槽縱向的底面裝夾緊。

上述夾具b在使用過(guò)程中，所述斜面加工裝夾面中部設(shè)有三角形槽，三角形槽內(nèi)配合有鴨嘴錘。所述三角形槽由直角三角形槽和梯形槽組成，直角三角形槽底邊與Y軸負(fù)方向呈19°夾角，直角三角形槽底邊的長(zhǎng)度小于鴨嘴錘底邊延伸至斜面后的邊長(zhǎng)，從而確保鴨嘴錘斜面的完全加工。所述三角形槽底面中部設(shè)有矩形槽，矩形槽兩端設(shè)有圓角，從而確保當(dāng)鴨嘴錘毛坯長(zhǎng)度方向有變形時(shí)，也能通過(guò)三角形槽底面進(jìn)行定位。所述三角形槽右下端底面開有圓形槽，從而能確保在鴨嘴錘兩端銑削有毛刺的情況下，也能保證鴨嘴錘毛坯的底面盡量貼合三角形槽底面。所述斜面加工裝夾面上部設(shè)有臺(tái)階，所述臺(tái)階為L(zhǎng)形臺(tái)階，臺(tái)階的臺(tái)階長(zhǎng)度大于鴨嘴錘切削所需的斜面的長(zhǎng)度，從而確保鴨嘴錘的斜面加工時(shí)，刀具不與夾具主體干涉。所述三角形槽的槽深均小于鴨嘴錘的寬度，從而確保鴨嘴錘由平口鉗與槽縱向的底面裝夾緊。

2.3 夾具的優(yōu)點(diǎn)

一般鴨嘴錘加工工藝過(guò)程中，需要做好對(duì)工件進(jìn)行定位的準(zhǔn)備，例如要考慮到在加工過(guò)程中，由于切削力和夾緊力所導(dǎo)致工件位置的變化[13]。這樣不僅會(huì)占用一定的時(shí)間和消耗過(guò)多的精力，而且在一定程度上降低了加工環(huán)節(jié)的工作效率、增加加工的時(shí)間[14]。而學(xué)生在鴨嘴錘制作的過(guò)程中，著重針對(duì)的應(yīng)該是銑削、倒角、鉆孔、攻絲、銼削等一系列金工操作。

相比一般鴨嘴錘的制作，該夾具滿足工件的加工時(shí)能在制定的位置上進(jìn)行固定的條件，夾具的定位使得加工的零件更加符合尺寸精度要求[15]。此夾具的合理使用使得鴨嘴錘的加工精密程度更高，具有提升整體作品的質(zhì)量的作用。

3? 鴨嘴錘夾具的有限元分析

本次實(shí)驗(yàn)夾具材質(zhì)為45鋼，工件材質(zhì)為黃銅。

3.1 鴨嘴錘裝夾的靜力學(xué)分析

3.1.1 夾緊力的計(jì)算

本次實(shí)驗(yàn)夾緊力計(jì)算公式摘自機(jī)械工業(yè)出版社的《銑工計(jì)算和常用數(shù)表》的第四章：銑削原理和銑削用量的計(jì)算。

本次實(shí)驗(yàn)使用超硬直柄立銑刀（三齒 18×16×32×92），頭部直徑為18mm;柄部直徑為16mm;刃長(zhǎng)為32mm;總長(zhǎng)為92mm。

本次實(shí)驗(yàn)中，機(jī)床轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/min;進(jìn)給速度為機(jī)床的最大值100mm/min。

式中， F夾為實(shí)際所需要的夾緊力（N）;K為安全因數(shù)，K=K1K2K3K4[18];K1為基本安全因數(shù)，一般取1.2～1.5;K2為加工性質(zhì)因數(shù)，粗加工時(shí)取1.2，精加工時(shí)取1.0;K3為刀具鈍化因數(shù)，一般取1.1～1.3; K4為切削特點(diǎn)因數(shù)，連續(xù)切削時(shí)取1.0，斷續(xù)切削時(shí)取1.2。本次夾緊力計(jì)算安全系數(shù)均選用最大值。

3.1.2 基于SolidWorks的靜力學(xué)仿真分析

將裝配完成的三維模型導(dǎo)入simulation有限元靜應(yīng)力分析模塊。其定位在夾具底端，同時(shí)在工件前端和夾具后端施加相等數(shù)值的夾緊力。其中應(yīng)用法向力330.52N，生成網(wǎng)格并且進(jìn)行分析。得出以下步驟（2）和步驟（4）的應(yīng)力云圖和應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖4所示。

通過(guò)分析得出步驟2中最大應(yīng)力為5.943e+06N/m2，步驟4中最大應(yīng)力為3.233e+06N/m2，均小于黃銅屈服強(qiáng)度2.39689e+08N/m2和45鋼屈服強(qiáng)度： 3.55e+08N/m2。所設(shè)計(jì)的夾具滿足加工裝夾需求。

3.2 鴨嘴錘加工的仿真分析

此實(shí)驗(yàn)在前文裝夾受力基礎(chǔ)上，增加切削力，以同樣的方法，進(jìn)行加工階段有限元分析。

由于切削力受力面積較小，應(yīng)力云圖不足以直觀反映工件的受力狀態(tài)。通過(guò)分析得出步驟（2）中最大應(yīng)力為3.890e+08N/m2，步驟（4）中最大應(yīng)力為3.374e+08N/m2;根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)可知，在銑削加工過(guò)程中，最大應(yīng)力和應(yīng)變出現(xiàn)在刀尖附近的區(qū)域[19]。加工時(shí)最大應(yīng)力區(qū)域即為切削區(qū)域，兩個(gè)加工過(guò)程中最大應(yīng)力均大于黃銅屈服強(qiáng)度2.39689e+08N/m2。所設(shè)計(jì)的夾具滿足切削加工需求。

4? 結(jié)語(yǔ)

（1）本文所設(shè)計(jì)的專用夾具能滿足鴨嘴錘制作過(guò)程中的端部倒角加工、頭部倒角加工、斜面加工，滿足尺寸加工需求;

（2）本文所設(shè)計(jì)的專用夾具在采用45鋼的材質(zhì)時(shí)，針對(duì)黃銅材質(zhì)的鴨嘴錘的加工，通過(guò)受力分析得出，夾具并未出現(xiàn)應(yīng)力集中或受力過(guò)大的現(xiàn)象，滿足實(shí)際加工需求;

（3）本文所設(shè)計(jì)的專用夾具便于鴨嘴錘的銑削加工，提高了鴨嘴錘的制作精度，能大大縮短學(xué)生制作鴨嘴錘的時(shí)間，使得主要精力用在基本操作上，因此該夾具具有推廣普及意義。

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