一種液壓閥的第四軸夾具設計

李 慶，宋萬清

LI Qing, SONG Wan-qing

（上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620）

0 引言

在機械制造業(yè)、金屬切削批量生產(chǎn)中，數(shù)控機床夾具的主要作用是保證加工精度，提高勞動生產(chǎn)率，擴大機床加工范圍，保證生產(chǎn)安全，降低對工人的技術要求和減輕工人勞動強度。因此，機械工裝夾具的設計制造在機械制造業(yè)中起到舉足輕重的地位[1]。

傳統(tǒng)的夾具設計主要依靠手工完成，CAD設計系統(tǒng)主要采用以交互式為主的半創(chuàng)成式設計方法，不能滿足現(xiàn)代制造系統(tǒng)靈活、快速及夾具自動化的要求，單一工序多面加工需頻繁更換夾具，工件多次裝夾，精度低，阻礙了柔性制造系統(tǒng)（FMS）的發(fā)展[2,3]。隨著大量三維實體造型軟件的興起，如PRO/E、CATIA、UG、Solidworks等，推動夾具設計領域新革命。Solidworks軟件可將機械設計與生產(chǎn)全過程集成在一起，通過獨特的參數(shù)化以及面向零件的3D實體模型的設計制造技術改變了傳統(tǒng)的設計理念，為我們提供了一條更直觀、更有效、更快捷的設計途徑[4]。

本設計基于SolidWorks軟件，針對Husco液壓國際公司生產(chǎn)的Husco-6603型液壓閥的兩道加工工序的液壓夾具設計，依照機械工裝夾具設計流程，對標準零件直接從SolidWorks設計庫中調(diào)取，非標準零件在虛擬裝配環(huán)境中自頂而下的設計并合理安裝，最終生成部分單元裝配圖，第四軸液壓轉(zhuǎn)臺裝配圖，綜合夾具裝配圖，在SolidWorks模擬視圖中自動生成閥體、各夾具零件、單元裝配，第四軸轉(zhuǎn)臺及總裝配的工程圖，并對裝配體進行智能評估，如裝配體零件干涉檢查、間隙驗證、模型質(zhì)量屬性計算、長度距離測量等各指標分析向?qū)?。該液壓夾具采用旭陽國際精工公司生產(chǎn)的旭陽CNC-400回轉(zhuǎn)臺作為加工中心第四軸，并合理設計橋板，工件擺放在第四軸液壓回轉(zhuǎn)臺上，且一次擺放兩個工件，這樣閥體一次裝夾可對前后兩端面及頂面各系列孔進行加工，克服了傳統(tǒng)單一工序多次裝夾、頻繁更換夾具的技術瓶頸，提高機床加工能力，保證了加工精度，大大提高加工效率。

1 機械工裝夾具設計流程

機械工裝夾具設計流程一般包括五個階段，分別是設計準備階段、方案設計階段，技術設計階段，具體設計階段，現(xiàn)場生產(chǎn)、裝配調(diào)試階段[5,6]。

設計準備階段主要分析客戶要求（有時不一定合理），確定毛坯件材料、分析毛坯結(jié)構(gòu)、毛坯類型、零件切削加工工藝、車床、刀具信息等，是工裝夾具設計的重要準備階段。夾具方案設計階段主要完成工件的定位方案、夾緊方案、位置布局方案及必要的導向、輔助方案。技術設計階段主要完成虛擬裝配，合理分析夾緊力，夾具剛度、強度校核，干涉檢驗，誤差計算，壽命評估等,對不合理的地方進行更改，存在嚴重的不合理處對方案進行重新設計。具體設計階段主要完成對各個零件、裝配圖的工程圖、油路圖、明細表的繪制與標注。最后現(xiàn)場生產(chǎn)、裝配調(diào)試階段，完成夾具實體零件加工，進行現(xiàn)場裝配，并對零件結(jié)構(gòu)的垂直度、平面度、圓軸度等進行三坐標檢測與激光干涉光學檢測，滿足加工精度要求。

圖1 機械工裝夾具設計流程

2 Husco-6603型液壓閥

Husco-6603型整體式液壓閥，其廣泛應用于拖拉機、采礦裝載機、叉車市場。閥體毛坯件為鑄件，前后兩端面加工精度要求較高。從圖中可看出：1)閥體外形輪廓結(jié)構(gòu)復雜，腔孔較多；2)屬多腔體薄壁零件，零件剛性較差，因此工裝夾具設計必須避免零件夾壓后變形，使裝夾受力點盡量避免放在零件加工孔上方以及易產(chǎn)生變形的部位。加緊過程中，不能破壞工件在定位時所處的正確位置，保證工件在整個加工過程中位置穩(wěn)定不變，夾緊可靠牢固，振動小，不超出允許變形[7]，合理布置夾壓后，要防止裝夾加工過程中發(fā)生震顫和干涉，并保證閥體受力均勻分布。

圖2 Husco-6603實體圖、Husco-6603俯視圖和Husco-6603仰視圖

3 基于SolidWorks軟件的夾具總體設計

3.1 閥體主要表面加工方法

根據(jù)加工工藝要求，裝配工藝設計與加工質(zhì)量、效率要求，依據(jù)基準先行、先面后孔、先粗后精的原則，先加工主要表面，后加工次要表面，制定零件主要表面加工方法如表1、表2所示。

表1 工序一 主要表面加工方法

表2 工序二 主要表面加工方法

3.2 定位、加緊方案的選擇

通過分析閥體結(jié)構(gòu)特征，在首序加工中，為了加工閥體底面，選擇閥體毛坯的頂面作為粗基準，這樣加工過的底面可作為第二道工序的精基準，遵循互為基準、基準統(tǒng)一的原則。為了保證定位基準位置準確，采用未加工的頂面進行平面定位，均勻分布4個圓頭支撐釘，保證接觸點位置相對穩(wěn)定，并且使支撐釘距離盡可能大，以防止加工過程中發(fā)生顫動，產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。同時，也可在橋板上輔助強力彈簧作為支撐。對于加緊，閥體兩端均采用六棱錐銷頂緊加緊，一端六棱錐銷配合Roemheld公司生產(chǎn)的Roemheld1545-105型液壓推缸，實現(xiàn)工件的完全定位和均勻夾緊。

圖3 閥體兩工序定位夾緊方案圖

在工序2中為了避免壓壞基準面，選擇平頭支撐釘作用在已加工好的閥體底面兩個凸臺上，使用兩個短圓柱銷插入兩個底面φ16孔中，采取一面兩銷定位，對于加緊，通過設計鋸齒形夾爪，安裝在Roemheld1825-500型液壓缸壓頭上，使夾緊力分散壓緊在工件兩側(cè)面凸臺處，均勻加緊，減少工件的變形。

以上兩道工序加工方案中均選擇擺在第四軸轉(zhuǎn)臺橋板上，一次裝夾兩個工件，提高加工效率。因此該液壓夾具設計既保證了加工零件的位置穩(wěn)定可靠，又避免夾緊中產(chǎn)生不允許的零件變形，操作簡便，工件更換容易，適合批量生產(chǎn)。

3.3 夾具三維設計

運用SolidWorks軟件提供的基于特征實體的建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列以及異型孔向?qū)У炔僮鱽韺崿F(xiàn)標準零件的三維模型設計，并按其形狀和尺寸分別建立參數(shù)化模型庫[8]。

對于非標準零件，其設計比較靈活，可運用SolidWorks高級裝配方法，進行自頂而下設計，即從整體到部分的設計方法，首先創(chuàng)建一級控件，反應裝配體整體的基礎模型，然后根據(jù)基礎模型，從而確定零件的位置和結(jié)構(gòu)[9]。如橋板設計，若設計過長會引起弓起彎曲變形，若過短不能保證一次裝夾多個工件，其尺寸大小隨著總夾具模型變化而變化。

夾具裝配是夾具產(chǎn)品設計的重要工藝過程。如果裝配不當，即使是全部合格的零件，往往也不能形成質(zhì)量、壽命合格的夾具。SolidWorks軟件夾具裝配是按照設計的技術要求實現(xiàn)標準零件、非標準零件以及其他零部件的連接組合成虛擬三維模型，而對于復雜的夾具設計，則須先將若干零件裝配成裝配單元，將傳統(tǒng)裝配層次結(jié)構(gòu)模型中的單一零件和子裝配體統(tǒng)一為裝配單元，作為組成產(chǎn)品的一個基本單元，構(gòu)造了基于裝配單元的產(chǎn)品模型[10]，該夾具中運用的Roemheld型液壓推缸、第四軸液壓轉(zhuǎn)臺、各工序夾具在橋板上擺放裝配體都屬于單元裝配。第四軸液壓轉(zhuǎn)臺配合安裝在DMC-1200龍門加工中心上，通過順序閥控制，使回轉(zhuǎn)臺主軸剎緊和松開，松開后橋板完成任意角度回轉(zhuǎn)分度，分度完成后剎緊主軸或連續(xù)分度運動，實現(xiàn)高精度分度工作[11]。

圖4 Roemheld1825-500液壓缸和Roemheld1545-105液壓缸

單元裝配體完成以后，最終將單元裝配體和其他零件裝配成完整的產(chǎn)品，即夾具總裝配體，如圖5所示將夾具橋板單元裝配體與第四軸裝配成總裝配體。

圖5 夾具總裝配體

該設計方法可以確定各個零件與子裝配體空間體積和位置，不但降低設計的難度，使各個裝配體與零件聯(lián)系更為密切，而且可大大提高設計的靈活性和零部件之間配合的準確性，也提高裝配體的裝配速度。

3.4 工程圖的設計

夾具三維模型不能將所有的設計參數(shù)表達清楚，有些信息如加工要求的尺寸精度，形位公差以及表面粗糙度，實際生產(chǎn)中仍要以工程圖才能進行現(xiàn)場施工，因此工程圖的創(chuàng)建是夾具設計的重要環(huán)節(jié)。

工程圖紙是放置和編輯工程圖的平臺，SolidWorks軟件具有強大的將三維實體模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖的能力，無須轉(zhuǎn)化為Auto-CAD格式，特別在復雜三維夾具設計中，修改次數(shù)一般較高，SolidWorks工程圖與其三維設計連接在一起，三維設計進行修改后，只需對相應工程圖更新即可，節(jié)省了修改裝配體的時間[12]。投影視圖放置正確后，根據(jù)國家或具體行業(yè)標準，對零件工程圖進行注解，如形位公差、表面粗糙度、基準特征、零件序號等；也可根據(jù)具體加工要求，對零件進行注釋或標記，將工程圖表達清楚。如圖6對固定六棱錐銷零件工程圖，該零件對尺寸公差、垂直度、圓軸度及技術要求等做了詳細標記；圖7在工序二總裝配體中，對各個零件進行標注。

圖6 固定六棱錐銷工程圖

圖7 工序二夾具裝配體工程圖

4 結(jié)束語

1）在工裝夾具設計準備階段，須詳細分析工件的結(jié)構(gòu)，找出定位基準和合理設計加緊方案，根據(jù)工序要求，合理選擇液壓缸和第四軸。

2）對于工序要求集中的加工中心夾具設計，機床增加第四軸功能后，一次裝夾兩個工件，一套夾具可同時用于工件三面的加工，避免了單一工序多次裝夾、頻繁更換夾具，提高了加工能力和效率。

3）SolidWorks設計軟件在計算機輔助夾具設計（CAFD）及柔性制造系統(tǒng)（FMS）中發(fā)揮著重要作用，尤其對于型面結(jié)構(gòu)復雜的工件夾具設計、大型裝配部件的處理，發(fā)揮著強大的功能，且減少加工周期和資源投入，為企業(yè)創(chuàng)造很高的效益。

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