魏 金

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著我國機(jī)械加工技術(shù)的不斷成熟，對(duì)于機(jī)床夾具的要求也越來越高。夾具在減少生產(chǎn)成本的同時(shí)，能大幅度提高工作效率；同一個(gè)夾具可以盡可能多地裝夾不同規(guī)格和形狀的零件；應(yīng)用場(chǎng)合多，可以應(yīng)用在各種現(xiàn)代化制造加工的場(chǎng)合以及對(duì)零件加工精度要求較高的場(chǎng)合；進(jìn)一步提高夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度；以液壓、氣壓作為夾緊裝置的源動(dòng)力，節(jié)省人力成本。夾具的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段：第一階段，夾具在各種零件的加工中僅僅被視為最基本的部分，只滿足被加工零件夾緊的要求；第二階段，由于被加工零件的精度要求越來越高，與被加工零件緊密接觸的夾具的精度和剛度要求逐漸提高；第三階段，數(shù)字化加工時(shí)代的到來，各種夾具的自動(dòng)化和適應(yīng)性得到進(jìn)一步提升[1]。

如今，機(jī)械加工已經(jīng)向著數(shù)字化的方向邁進(jìn)，比如，各種數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，它在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)無人加工，這極大地降低了人工成本且提高了生產(chǎn)效率。圓盤類零件在農(nóng)用機(jī)械中是一種常用的零件，筆者設(shè)計(jì)了加工圓盤類零件的專用銑床夾具，以滿足大批量生產(chǎn)的需求。

1 零件的工藝路線分析

被加工零件的零件圖如圖1所示，該零件材料選用的是20Cr。這類零件雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是加工精度要求較高，可大批量生產(chǎn)。此加工過程采用數(shù)控加工工藝，不僅能大幅度提高零件精度，還能提高整體加工效率。根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)加工方法，對(duì)本零件進(jìn)行工藝分析。加工工藝路線如表1所示。

圖1 零件圖

表1 圓盤類零件加工工藝路線

2 數(shù)控銑床加工內(nèi)容

2.1 圓盤類零件的原始材料分析

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，需要設(shè)計(jì)加工此零件有十字槽的一面，用銑床加工，包括銑內(nèi)腔、十字槽、缺口、銑型腔、锪孔、鉆孔、攻絲。所以對(duì)夾具和刀具的定位要求比較高。另外，本零件生產(chǎn)需求量較大，所以，需要嚴(yán)格控制成本且要提高生產(chǎn)效率。

2.2 主要加工工序及參數(shù)選擇

該零件的下表面為銑床加工，主要工序及參數(shù)如下：

1）銑40×40，深5的型腔。根據(jù)零件的技術(shù)要求，切削深度取5 mm；查閱《數(shù)控加工工藝與編程》[2]，得知銑削的最佳速度為55 m/min～120 m/min，這里取90 m/min；

2）锪4-?9深2的孔。根據(jù)加工的實(shí)際情況，锪孔的切削深度取2 mm；銑削速度取100 m/min；由轉(zhuǎn)速公式n=1 000 Vc/πd，計(jì)算得主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min；通過計(jì)算得進(jìn)給量為1 000 mm/min。

3）精銑十字槽。根據(jù)零件圖上對(duì)于十字槽的加工要求，切削深度與十字槽深度保持一致，取6 mm；通過查閱《數(shù)控加工工藝與編程》，銑削速度取100 m/min；主軸轉(zhuǎn)速公式為n= 1 000 Vc/πd，刀具直徑d為8 mm，計(jì)算得轉(zhuǎn)速n為1 955 r/min，實(shí)際取值2 000 r/min；通過計(jì)算得進(jìn)給量為700 mm/min。

4）锪?20內(nèi)腔。根據(jù)加工的實(shí)際情況，锪?20內(nèi)腔的切削深度取6 mm；銑削速度取100 m/min；由轉(zhuǎn)速公式n=1 000 Vc/πd，計(jì)算得主軸轉(zhuǎn)速n=1 993.2 r/min，實(shí)際取值2 000 r/min；通過計(jì)算得進(jìn)給量為1 000 mm/min。

3 專用銑床夾具設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)概論

夾具的作用是迅速、方便、安全地安裝和夾緊被加工零件，設(shè)計(jì)夾具時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

1）夾具中的定位元件能準(zhǔn)確確定被加工零件與刀具、機(jī)床的相對(duì)位置，便于提高被加工零件的精度；

2）夾具的剛度需足夠大，防止定位元件和支承元件發(fā)生變形，盡量使得定位元件不受到力的作用，以免影響工件精度；

3）夾具能快速實(shí)現(xiàn)夾緊和拆卸被加工零件，盡可能減少輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；

4）夾具能適用于多種加工工藝場(chǎng)合，如車床、鉆床、鏜床等，進(jìn)一步提高夾具的使用價(jià)值[3]。

3.2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 確定工件的定位方案

根據(jù)六點(diǎn)定位原理，由于該專用夾具裝夾的是圓盤類零件，所以除z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不需要限制外，x、y、z的移動(dòng)自由度和x、y的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均需要限制。所以，采用固定v形塊和活動(dòng)v形塊來限制x、y的移動(dòng)自由度，采用兩個(gè)支承板來限制x、y的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及z的移動(dòng)自由度。

定位元件包括固定v形塊、活動(dòng)v形塊和支承板，其中固定v形塊和活動(dòng)v形塊的材料選用20鋼，且滲碳的深度為0.6 mm～1.0 mm，熱處理為55 HRC～62 HRC；支承板分為平板式和斜槽式，材料選用20鋼，滲碳深度為0.6 mm～1.2 mm，熱處理為55 HRC～62 HRC。

3.2.2 確定工件的夾緊方案

1）夾緊系統(tǒng)的組成。夾具的夾緊系統(tǒng)由三部分組成，分別是動(dòng)力源、傳力機(jī)構(gòu)、夾緊元件。動(dòng)力源可以是液壓驅(qū)動(dòng)，也可以是電驅(qū)動(dòng)，但考慮成本和夾具的簡易性，本夾具動(dòng)力源采用人力；傳力機(jī)構(gòu)是動(dòng)力源和夾緊元件之間的重要媒介，傳力機(jī)構(gòu)能直接影響夾具的夾緊效率和夾緊的質(zhì)量，由于螺桿是最常用的傳力機(jī)構(gòu)，且具備良好的自鎖性，因此本夾具的傳力機(jī)構(gòu)選用螺桿；由于被加工零件為圓盤，同時(shí)考慮到加工精度，選用夾緊精度較高的v形塊，v形塊是標(biāo)準(zhǔn)件，易加工制造，且成本較小。

2）夾緊機(jī)構(gòu)的選用。該專用夾具采用螺旋機(jī)構(gòu)夾緊，其具有擴(kuò)力比大、夾緊效率高、自鎖性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。該機(jī)構(gòu)是從斜楔夾緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化來的，通過轉(zhuǎn)動(dòng)與壓緊螺釘相連的手柄就可以使得活動(dòng)v形塊沿導(dǎo)軌水平移動(dòng)，從而夾緊和松開工件。

3）夾緊力的計(jì)算。根據(jù)力矩平衡的原理，可以得到螺旋夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力Q為：

式中：P為源動(dòng)力（N）；L為力臂（mm）；rz為螺紋中徑的一半（mm）；r1為壓緊螺釘端部的當(dāng)量摩擦半徑（mm）；φ1為摩擦角（°）；φ2為螺桿端部與工件處的摩擦角（°）；α為螺旋升角（°），通常取2°～4°。

經(jīng)過計(jì)算，得到的夾緊力Q=5 320 N。

3.2.3 輔助裝置

1）對(duì)刀裝置。一般夾具上的對(duì)刀裝置的類型主要分為成形刀具對(duì)刀裝置、高度對(duì)刀裝置、直角對(duì)刀裝置、組合刀具對(duì)刀裝置[4]。加工表面以及零件的結(jié)構(gòu)決定對(duì)刀裝置的類型。由于該道工序使用數(shù)控銑床來加工十字槽，因此選用直角對(duì)刀塊，材料選用20鋼，熱處理55 HRC～60 HRC。

2）定位鍵。為了確保夾具體與機(jī)床工作臺(tái)緊密貼合不發(fā)生相對(duì)位移，同時(shí)提高被加工零件的加工精度，夾具體與機(jī)床工作臺(tái)之間需要用定位鍵連接，且需要成對(duì)使用以進(jìn)一步提高連接的穩(wěn)定性。

定位鍵有矩形和圓形兩種結(jié)構(gòu)，圓形定位鍵，一般應(yīng)用較少。矩形的定位鍵最常用，其又可以分為兩種結(jié)構(gòu)，一種是在鍵的側(cè)面開有溝槽的，鍵分為上下兩個(gè)部分，其中上部分與夾具體地面的縱向槽配合，下部分與機(jī)床工作臺(tái)上的T形槽相配合；另一種是上下兩部分尺寸相同的矩形鍵，它經(jīng)常應(yīng)用在精度要求不高的場(chǎng)合。為了使夾具體與機(jī)床工作臺(tái)的緊密貼合，選用第一種矩形鍵。定位鍵的材料選用45鋼，熱處理為35 HRC～40 HRC。

3.2.4 夾具體設(shè)計(jì)

1）夾具體結(jié)構(gòu)的選用。由于各個(gè)零件的加工要求均不相同，導(dǎo)致夾具體很難標(biāo)準(zhǔn)化。夾具體大體可分為開式、半開式和框式三種結(jié)構(gòu)，考慮到排屑，選用開式結(jié)構(gòu)；為使廢屑沿斜面自由滑下從而排出夾具體外，采用切屑自動(dòng)排除結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在夾具體上表面專門設(shè)置斜面來排屑，適用于廢屑比較多的場(chǎng)合；考慮到夾具體能快速安裝于銑床上，在夾具體底部設(shè)置縱向T型槽[5]。

2）夾具體毛坯的選用。夾具體毛坯一般包括焊接式、鑄造式、鍛造式和組裝式。由于鑄造式可以鑄造出各種形狀的夾具體，且鑄造的方法具有制造簡單、成本低、生產(chǎn)時(shí)間較短等優(yōu)勢(shì)，因此夾具體的毛坯選用鑄造式。

3）排屑機(jī)構(gòu)。排除廢屑一般有兩種方案：增大容屑空間和自動(dòng)排屑機(jī)構(gòu)。增大容屑空間是指進(jìn)一步增大儲(chǔ)屑槽的體積，以防止體積過小導(dǎo)致廢屑不能及時(shí)排出，從而影響到刀具的工作；自動(dòng)排屑機(jī)構(gòu)一般是設(shè)置斜面讓工作中產(chǎn)生的廢屑由斜面自由滑落，這種排屑方法結(jié)構(gòu)簡單、排屑效果好、能減輕夾具體整體的質(zhì)量，相比于增大容屑空間的方法，不需要額外設(shè)置儲(chǔ)屑槽。綜合兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選用設(shè)置斜面的方法以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排屑[6]。

3.3 夾具裝配圖繪制

銑床夾具裝配圖如圖2所示。

圖2 夾具裝配圖

4 小結(jié)

筆者討論了數(shù)字化加工背景下機(jī)床夾具需滿足的要求，并針對(duì)圓盤類零件的銑床加工工藝，在機(jī)械設(shè)備制造、數(shù)控機(jī)加工工藝等課程的基礎(chǔ)下設(shè)計(jì)了該零件的專用銑床夾具，其具有結(jié)構(gòu)簡單、操作安全方便、夾緊效率高等優(yōu)點(diǎn)，使得圓盤類零件的生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步提高。同時(shí)，對(duì)其他類型機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。