巧車軟爪裝夾工件異形面

伍小建

(梅州市技師學(xué)院，廣東梅州 514071)

第五屆全國(guó)數(shù)控技能大賽廣東選拔賽于2012年11月舉行，數(shù)控車工學(xué)生組實(shí)操?zèng)Q賽題如圖1所示，其中零件6如圖2所示。

這道實(shí)操題是從賽前一周公布的幾道題中選取出來(lái)并作了修改的。原題零件6右邊沒有32°錐面，而是10.3 mm長(zhǎng)的φ58 mm外圓柱面，該處可用三爪卡盤裝夾。而決賽時(shí)改成圖2所示形狀，剩下的φ58 mm圓柱面(A處)軸向長(zhǎng)度只有2.3 mm，致使工件沒有合適的裝夾面，該怎么辦呢?

參賽選手們對(duì)此感到束手無(wú)策。有幾個(gè)膽大的選手在無(wú)奈之下鋌而走險(xiǎn):先加工右端φ38 mm內(nèi)孔、32°外錐面、φ58 mm外圓柱面及R8 mm圓弧面的右邊部分，然后把工件掉頭，冒險(xiǎn)地用三爪夾持只有2.3 mm長(zhǎng)的φ58mm圓柱面，用百分表找正工件，采用很小的切削用量，像走鋼絲繩一樣地加工工件左端面及R8 mm圓弧面的剩余部分。結(jié)果可想而知:有人在加工過程中工件掉下來(lái)了;也有人很幸運(yùn)，工件沒掉下來(lái)，加工完了，卻因裝夾剛性極差，切削用量很不合理，不僅加工效率非常低，而且工件表面粗糙度也比較差。

1 問題分析

從零件結(jié)構(gòu)、裝配要求和現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)看，存在如下裝夾問題:

(1)三爪卡盤裝夾工件軸向較長(zhǎng)時(shí)，限制工件X、Y方向移動(dòng)及繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)4個(gè)自由度;裝夾工件軸向很短時(shí)，僅限制X、Y兩個(gè)移動(dòng)自由度。三爪裝夾長(zhǎng)度小于5 mm時(shí)切削加工就非常危險(xiǎn)了，更何況只有2.3 mm，在加工過程中工件隨時(shí)都有可能掉下來(lái)。

(2)卡盤反爪適合于裝夾直徑較大的內(nèi)孔(一般為φ60 mm以上)，而這個(gè)工件內(nèi)孔只有φ38 mm，裝不進(jìn)卡爪。如果把軟爪外部前端車小(硬爪很難車)，用來(lái)裝夾φ38 mm內(nèi)孔，雖可作為對(duì)付競(jìng)賽的應(yīng)急之舉，卻不是理想的方法，因?yàn)檐涀ν獠壳岸艘嚾ズ芏嗖拍苎b夾φ38 mm內(nèi)孔，剩下部分較薄弱，裝夾強(qiáng)度差，裝夾后軟爪容易變形。

(3)該零件其他部位均不適合三爪卡盤裝夾，也無(wú)法與其他零件裝配后加工。且因兩端面都是內(nèi)凹形狀，不可能采用長(zhǎng)棒料毛坯僅一道工序就將整個(gè)零件加工完(切斷取總長(zhǎng))，而必須使用正常毛坯加工完一端后掉頭裝夾加工另一端。

(4)比賽現(xiàn)場(chǎng)只有三爪卡盤(附硬爪、軟爪各一副)，沒有條件、沒有時(shí)間制作專用夾具。

目前在工廠實(shí)際生產(chǎn)中，裝夾此類工件除了使用專用夾具之外，也沒有別的好辦法。使用專用夾具需要制造若干零件，經(jīng)過多道工序加工，然后才能裝配而成，這不是一時(shí)半刻能完成的。專用夾具的定位方式、制造和裝配精度將直接影響工件定位精度。

2 技術(shù)創(chuàng)新

筆者對(duì)此進(jìn)行研究和實(shí)踐，摸索出一種比較新穎、獨(dú)特的方法:巧用普通三爪(軟爪)，在爪中車出與工件R8 mm圓弧面徑向、軸向均吻合的形面，其接觸面積達(dá)到70%以上，以此裝夾工件，限制工件X、Y、Z3個(gè)軸移動(dòng)及繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)共5個(gè)自由度(見圖3)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，用三爪裝夾工件圓柱面，為了保證掉頭同軸度，常在三爪(軟爪)里車出與工件圓柱面相吻合的內(nèi)輪廓。因爪面內(nèi)輪廓素線是直線，軸向各處直徑相同，比較容易車，一般用手動(dòng)加工完成。而筆者要用三爪裝夾圓弧面，其素線不是直線，因此要采取非常規(guī)辦法車軟爪。

以下為針對(duì)工件異形面車削軟爪的方法和步驟。

(1)因夾持部位不是圓柱面，軸向各處直徑不同，而使用的數(shù)控車床HTC2050配置的是液壓卡盤，受液壓夾緊和松開行程限制，如果在液壓松開后車好的三爪前端空間直徑小于工件夾持部位最大直徑，則工件裝不進(jìn)爪內(nèi)，那每次裝工件都要先拆下一個(gè)軟爪才能裝進(jìn)去(若配置的是手動(dòng)卡盤則不存在這個(gè)問題)。為了避免這個(gè)麻煩，并確保車出的爪面內(nèi)輪廓與工件外輪廓在夾緊狀態(tài)下互相吻合，且消除反向間隙，首先要根據(jù)工件形狀、大小和卡盤液壓行程把三爪安裝在卡盤端面齒的適當(dāng)位置上，然后在三爪后部夾持一個(gè)合適的圓棒或圓環(huán)(據(jù)圖3計(jì)算，其外徑為:φ68－10×2=φ48 mm)，把夾緊力調(diào)整到與裝夾工件時(shí)的夾緊力一致。

(2)在三爪中車異形內(nèi)輪廓，要解決3個(gè)問題:①車異形內(nèi)輪廓與車圓柱形內(nèi)輪廓不同，靠手動(dòng)加工很難保證其形狀精度、尺寸精度和表面粗糙度;②車三爪異形內(nèi)凹輪廓，要避免刀具干涉現(xiàn)象;③車三爪是斷續(xù)切削，尤其在形狀特殊且余量不均的情況下，既要避免刀具崩刃現(xiàn)象，又要保證車削質(zhì)量和效率。為此，筆者采取如下措施:①根據(jù)爪面形狀、尺寸和表面粗糙度等各項(xiàng)要求編制數(shù)控加工程序(可手工編程，也可自動(dòng)編程)，在編程、對(duì)刀之后用自動(dòng)加工方式車爪面;②選擇合適的刀具車爪面。使用刀桿D1620P－SVUCR－11配內(nèi)孔尖刀片VCMT110304 NX2525既能避免刀具干涉現(xiàn)象，又能保證比較好的車削質(zhì)量;③選擇合適的切削用量車爪面。粗車每次切削深度0.7 mm，進(jìn)給量0.16 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min。精車每次切削深度0.15 mm，進(jìn)給量0.08 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速1 600 r/min。采取兩次精車，第一次精車后檢查爪面與工件R8 mm圓弧面徑向、軸向接觸面積，如果能達(dá)到70%以上，則按第一次精車的狀況進(jìn)行第二次精車;否則就要修改程序或刀補(bǔ)后再進(jìn)行第二次精車。通過兩次精車能確保爪面形狀精度、尺寸精度和表面粗糙度達(dá)到要求。

(3)車好后用油石或銼刀將三爪軸向六處銳邊修鈍。

筆者在25 min內(nèi)完成了以上整個(gè)過程。如圖4、圖5所示。

3 實(shí)踐驗(yàn)證

上述方法圓滿解決了裝夾難題，為優(yōu)化產(chǎn)品加工工藝提供了技術(shù)保證，因此筆者采取如下新工藝加工零件6。

工序一(如圖6)，在數(shù)控車床HTC2050(配轉(zhuǎn)塔式后置刀架)上用普通三爪裝夾φ80 mm×30 mm的圓棒料毛坯(按競(jìng)賽要求)，將液壓夾緊力調(diào)整為2 MPa，夾持外圓軸向長(zhǎng)度7 mm。為了保證工件表面圓滑過渡，避免出現(xiàn)“接刀”痕跡，外圓弧R8 mm、R2 mm和外圓柱φ58 mm均在本工序用刀桿 GHDL20－3配外圓弧刀片 GIP3.00E－1.50 IC908(圓弧R1.5 mm)加工完成;端面圓弧和橢圓用刀桿HFHR－20M配端面圓弧刀片HFPR3015 IC908(圓弧R1.5 mm)加工完成。

工序二(如圖 7)，用前面所述方法在數(shù)控車床HTC2050上車好軟爪，將夾緊力調(diào)整為1.5 MPa，裝夾工件R8 mm圓弧面。由于車好的軟爪能限制工件X、Y、Z3 個(gè)軸移動(dòng)及繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)共5個(gè)自由度，既能自動(dòng)定心，又能自動(dòng)定長(zhǎng)(軸向定位)，裝夾之后就能保證工件掉頭同軸度和平行度，省去了用百分表找正工件的麻煩。且因裝夾剛性好，安全性能高，可采用理想的切削用量加工工件右端面、φ38 mm內(nèi)孔和32°外錐面，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好。

加工完后，經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證，工件掉頭同軸度誤差僅0.015 mm，平行度誤差僅0.012 mm，形狀精度、尺寸精度和表面粗糙度都比較理想。

4 拓展應(yīng)用

將本方法應(yīng)用范圍擴(kuò)大，根據(jù)工件不同形狀車削三爪(軟爪)，還能裝夾V形面、螺紋、橢圓、拋物線、雙曲線、漸開線、正(余)弦(切)曲線等各種復(fù)雜異形面。

如圖8所示工件，一端為傾斜正弦曲線外形和φ18 mm內(nèi)孔，另一端為40°外錐和R15 mm端面圓弧，若按常規(guī)，無(wú)論先加工哪一端，掉頭裝夾都比較困難。而采用本辦法，可先加工傾斜正弦曲線和φ18 mm內(nèi)孔，然后通過自動(dòng)編程在軟爪內(nèi)車出與工件相吻合的傾斜正弦曲線形面，以此裝夾工件加工另一端(見圖9～11)。

加工完后，經(jīng)檢驗(yàn)，工件同軸度誤差僅0.015 mm，平行度誤差僅0.01 mm，其他各項(xiàng)精度指標(biāo)均達(dá)到了要求。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，通過巧車軟爪，取得了顯著效果:

(1)按常規(guī)使用軟爪只能裝夾圓柱面或平面，在爪端面不定位的情況下只能限制工件4個(gè)自由度，掉頭裝夾時(shí)為了保證位置精度，還要用百分表找正工件。而按本方法車削軟爪能裝夾各種異形面，適用范圍廣，能限制工件5個(gè)自由度，既能自動(dòng)定心，又能自動(dòng)定長(zhǎng)，定位精度高，加工工件同軸度和平行度均能達(dá)到6～7級(jí)。裝夾時(shí)無(wú)須找正工件，方便、快捷、牢靠，減少了輔助時(shí)間，且因裝夾剛性和安全性好，可采用較大的切削用量加工產(chǎn)品，提高了生產(chǎn)效率。

(2)制造專用夾具工序多，時(shí)間長(zhǎng)，成本高，制造和裝配精度受到一定條件的限制，且專用夾具欠缺通用性。而車軟爪僅用一臺(tái)數(shù)控車床就能實(shí)施，一般不超過30 min就能完成。由于軟爪在數(shù)控車床上安裝好之后才車削，并直接應(yīng)用于本機(jī)床裝夾工件，消除了夾具裝配誤差，故其精度明顯比專用夾具高。一副φ200 mm的軟爪價(jià)格僅140元，可反復(fù)車削(爪面車削消耗完后可焊上新的鋼塊重車)，反復(fù)應(yīng)用于不同產(chǎn)品。所以，車削軟爪比制造專用夾具更加簡(jiǎn)便、快捷、精確和經(jīng)濟(jì)。

本方法圓滿解決了裝夾難題，為優(yōu)化產(chǎn)品加工工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供了技術(shù)保證，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，在工廠生產(chǎn)、實(shí)習(xí)教學(xué)和技能競(jìng)賽中都有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉登平.機(jī)械制造工藝及機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2008.