別俊，陳君寶，李書宇

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

良好的夾具決定了機(jī)械加工的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本，高質(zhì)量專用夾具是生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)零部件的關(guān)鍵。Ratchev等對夾具與工件行為預(yù)測進(jìn)行有限元研究，對靜態(tài)夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［1］；Siebenaler 等對夾具剛度和工件變形之間的關(guān)系進(jìn)行了研究［2］；鄒文俊等針對缸體銑削頂面相關(guān)孔加工，設(shè)計(jì)了高精密專用夾具［3］；李新水等針對缸體上線定位不準(zhǔn)確、加工厚度不均勻等問題，提出改進(jìn)夾具設(shè)計(jì)［4］。文中針對某公司缸體復(fù)雜的孔類加工過程，設(shè)計(jì)專用夾具，滿足零件工藝要求的同時(shí)，有效減少加工過程中裝夾次數(shù)和產(chǎn)品制造時(shí)間［5］。

1 工藝分析與方案設(shè)計(jì)

某公司缸體OP50 生產(chǎn)量低，勞動力和設(shè)備投資高，工序分散，加工精度低，需多次定位、夾緊以及換刀。為了解決上述問題，改善零件加工質(zhì)量，對缸體OP50 生產(chǎn)工序進(jìn)行分析，圖1 為缸體技術(shù)圖，主要加工內(nèi)容為粗鏜曲軸孔至Φ52 mm、銑水泵座孔至Φ45 mm、粗鏜銑缸孔至Φ76.5 mm。

圖1 缸體OP50技術(shù)圖

缸體各結(jié)合面面積較大，加工內(nèi)容多，對位置精度和粗糙度的要求較高［6］。在工序集中原則下，采用高效率專用設(shè)備，對照工藝設(shè)計(jì)方案，合并加工內(nèi)容相同的工序，縮短工藝路線，減少工序總數(shù)，機(jī)床數(shù)量、操作人員數(shù)和占地面積隨之減少。此外，減少工件裝夾次數(shù)，不僅保證了加工表面的精度，而且減少了夾具數(shù)量和裝夾工件的輔助時(shí)間。

選擇使用臥式加工中心，可以提供相對良好的加工環(huán)境。夾具設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)見圖2，在定位元件和夾緊元件上分別設(shè)置出水孔、氣孔和浮動夾緊裝置，在上料裝置增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，保證缸體較好的表面質(zhì)量。夾具由底座、輔助上料裝置、定位元件、側(cè)靠裝置、夾緊元件和立柱組成。定位元件包括了圓銷、菱形銷以及4 個定位塊，構(gòu)成“一面兩銷”定位方式。由輔助上料裝置將缸體移動到專用夾具上；缸體下沉逐漸與定位元件接觸并完成定位；在液壓油缸施加動力作用后，夾緊裝置上的4個壓頭接觸到缸體產(chǎn)生夾緊力，完成缸體精準(zhǔn)裝夾。

圖2 缸體OP50專用夾具

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 定位元件

定位元件在夾具中的位置如圖3 所示。為了使工件完全定位，必須要有合理的6個定位點(diǎn)限制其6個自由度［7］?！耙幻鎯射N”定位原則使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)重合，限制6 個方向的自由度?！耙幻妗蓖ㄟ^4個定位塊來實(shí)現(xiàn)，將缸體的底面作為定位平面，限制缸體沿X軸方向上的移動、Y軸和Z軸方向上的轉(zhuǎn)動；圓銷限制缸體X軸和Z軸方向上的移動；菱形銷限制繞Y軸方向上的轉(zhuǎn)動。

圖3 定位元件

零件加工過程中會產(chǎn)生大量廢屑，廢屑清理不干凈會造成堆積，影響工件的加工精度，更影響機(jī)床的使用壽命。通常，定位面的清潔由外部水槍或機(jī)床內(nèi)部噴氣頭完成。為了更好地提升工藝水準(zhǔn)，在夾具定位塊上增設(shè)出水孔和氣孔，如圖4 所示，定位塊底部均打有臺階孔，并裝有O形圈。在零件緩慢下降的過程中，出水孔噴水，沖洗零件表面的廢屑、灰塵，保證定位元件的精度。設(shè)置氣孔是為了進(jìn)行氣密性檢測，氣孔結(jié)構(gòu)上窄下寬防止漏氣，保證定位塊與零件完全貼合。

圖4 定位塊

2.2 夾緊元件

工件在裝夾過程中會受到多種力的作用，為保證工件穩(wěn)固不松動，需提供安全可靠的夾緊元件。夾具主要包含了主夾緊裝置和夾緊桿，夾緊桿上的壓頭與缸體直接接觸，是完成夾緊作用的執(zhí)行元件［8］。夾緊點(diǎn)選擇在缸體的上表面，液壓油缸推動壓板產(chǎn)生夾緊力，力豎直向下作用于被加工缸體的上表面，此時(shí)夾緊力最小，且不會對缸體表面造成影響，再利用液壓夾緊作為動力源實(shí)現(xiàn)快速夾緊。

圖5為主夾緊裝置結(jié)構(gòu)的上端。缸體進(jìn)油時(shí)，在油缸驅(qū)動下，活塞桿向左運(yùn)動，鍥鐵被帶動向左運(yùn)動，軸在活塞桿的帶動下上升，同時(shí)帶動圖6 中的夾緊桿上升，確保4 個壓頭能夠上升到一定高度。缸體完成上料后，軸下落，鍥鐵和活塞桿向右運(yùn)動回到原來位置，此時(shí)軸帶動下方的夾緊桿運(yùn)動，夾緊桿底部的4個壓頭與缸體接觸產(chǎn)生夾緊力完成夾緊動作。

圖5 上夾緊裝置

圖6 下夾緊裝置

夾緊桿可以繞主夾緊裝置的軸產(chǎn)生浮動，此外夾緊桿上的壓頭也可以繞夾緊桿產(chǎn)生浮動，于是產(chǎn)生了任意4個方向上的浮動。一缸四點(diǎn)，簡化動力源，壓頭根據(jù)上表面的位置靈活調(diào)整，保證4 個點(diǎn)同時(shí)接觸，讓缸體4個點(diǎn)受力相同，減少工件變形，保持工件平衡，滿足夾具夾緊的要求。

2.3 輔助上料裝置

輔助上料裝置由托盤、抬起油缸、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向桿組成，結(jié)構(gòu)如圖7 所示?！皟蓪?dǎo)向一動力源”是輔助上料裝置的特點(diǎn)，抬起油缸作為動力源，為托盤的上升和下落提供動力；2個導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分別位于左右兩端，與底座和托盤上的板件通過螺釘連接?！耙幻鎯蓤A柱銷”導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是為了使托盤回落時(shí)能夠回到正確的位置，避免托盤在水平方向上來回移動，防止發(fā)生偏移保證完全定位。

圖7 輔助上料裝置

2.4 切削力及夾緊力

切削力是作用在刀具和工件上的大小相等、方向相反的力［9］。在調(diào)整機(jī)床功率、轉(zhuǎn)矩選擇以及驗(yàn)證方面，切削力是重要的依據(jù)，同時(shí)也是刀具、夾具強(qiáng)度和剛性的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

銑水泵座孔工序具有最大轉(zhuǎn)速和功率要求，選擇玉米內(nèi)孔銑刀，刀具材料為硬質(zhì)合金，銑削的圓周力計(jì)算公式為

式中：Fc為切削力；ap為銑削深度；ae為銑削寬度；fZ為每齒進(jìn)給量；Z為齒輪數(shù)；d為刀具直徑；n為主軸轉(zhuǎn)速；CF為切削條件系數(shù)；xF、yF、uF、wF、qF為切削用量指數(shù)；kFc為修正系數(shù)。具體參數(shù)值如表1～2 所示，通過計(jì)算得到Fc為938.4 N。

表1 刀具參數(shù)和工藝參數(shù)

夾緊力大小要適當(dāng)，過小會導(dǎo)致工件松動，過大會導(dǎo)致工件表面損傷變形，一般從工件、工藝方法和定位元件布置整體考慮。采用液壓夾緊裝置時(shí)，需要計(jì)算夾緊力的大小，對比液壓缸產(chǎn)生夾緊力與實(shí)際所需夾緊力，確定是否滿足加工要求。

表2 切削用量參數(shù)

液壓缸所產(chǎn)生的夾緊力FZ為

式中：A為活塞的有效工件面積；P為液壓缸的進(jìn)油腔壓力；D為活塞直徑；l為活塞桿直徑。根據(jù)所選油缸確定參數(shù)，P為4 MPa，D為40 mm，l為22 mm，將參數(shù)代入式（2），得到FZ為3504.24 N。

實(shí)際所需夾緊力WK為

式中：K為安全系數(shù)，具體參數(shù)見表3，計(jì)算得到K為1.44。已知切削力FC為938.4 N，取工件與定位元件之間的摩擦系數(shù)f1為0.15，工件與夾緊元件之間的摩擦系數(shù)f2為0.25，K取1.44，代入式（3）中得到WK為3378.24 N，小于FZ，即油缸所能提供的夾緊力大于缸體加工時(shí)所需的夾緊力。因此夾緊裝置符合要求，具有可行性。

表3 K相關(guān)參數(shù)

3 驗(yàn)證分析

在SolidWorks中將夾具繪制成三維實(shí)體模型，利用Simulation 插件中的算例功能建立有限元模型，模擬零件在具體使用過程中的受力情況，對主要零部件進(jìn)行計(jì)算分析。夾具定位元件使用頻次較高，圓銷反復(fù)使用，故選擇圓銷作為研究對象，進(jìn)行靜應(yīng)力分析。圓銷材料為20CrMnTi，具體屬性見表4。圓銷載荷為584 N，施加點(diǎn)為圓銷的上表面，應(yīng)用約束條件固定在適當(dāng)位置，選取約束點(diǎn)為圓銷的下表面；將圓銷進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把零件的整體分割為有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，使得分析能夠近似計(jì)算，網(wǎng)格劃分及有限元分析計(jì)算結(jié)果見圖8，最大應(yīng)力為620 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)變約為7.5 mm，形變在允許范圍內(nèi)符合設(shè)計(jì)要求。

表4 圓銷屬性

圖8 圓銷有限元模型

4 結(jié)論

文中對缸體進(jìn)行工藝分析，對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，明確夾具整體設(shè)計(jì)方案，最后利用Simulation插件進(jìn)行有限元驗(yàn)證分析，明確方案可行。測試表明夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能保證定位精度和提高工件加工質(zhì)量。