基于CATIA的一種端面驅(qū)動(dòng)式機(jī)床夾具設(shè)計(jì)

□ 鄒俊俊

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 西安 710014

隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展和數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)零件的加工精度和加工效率的要求越來(lái)越高。軸類(lèi)零件是組成機(jī)械裝備的重要零件，目前軸類(lèi)零件的裝夾一般采用普通三爪或四爪液壓卡盤(pán)，用“一夾一頂”的方式，或使用雞心夾等專(zhuān)用夾具來(lái)夾緊。該方法存在的主要問(wèn)題是：（1）加工時(shí)工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合，定位精度低，掉頭二次裝夾后又要重新對(duì)刀找正，易夾傷工件表面，零件加工質(zhì)量不穩(wěn)定；（2）無(wú)法一次加工完成所有外圓面，需要掉頭二次裝夾，增加了裝夾次數(shù)和輔助時(shí)間，工藝穩(wěn)定性差，生產(chǎn)效率低。

在數(shù)控加工軸類(lèi)零件過(guò)程中，隨著數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)速和自動(dòng)化程度的提高，傳統(tǒng)夾具的使用增加了機(jī)床空置時(shí)間，已經(jīng)成為軸類(lèi)零件加工過(guò)程中繼續(xù)提高精度和效率的一個(gè)“瓶頸”。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在一般軸類(lèi)零件加工過(guò)程中，輔助時(shí)間幾乎要占到總加工時(shí)間的一半，因此，若對(duì)現(xiàn)有夾具技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 端面驅(qū)動(dòng)夾具的工作原理與特點(diǎn)

目前使用的普通卡盤(pán)其加工原理圖如圖1（a）所示，由于工件被卡爪或雞心夾等夾具夾持的部分無(wú)法加工，需要掉頭裝夾再加工。端面驅(qū)動(dòng)夾具是自20世紀(jì)90年代首先從國(guó)外發(fā)展起來(lái)的一種新型夾具，其與普通卡盤(pán)不同之處如圖1（b）所示，它依靠?jī)芍行目锥ㄎ?，通過(guò)一次裝夾即可完成所有外圓面的加工，大大縮短了輔助時(shí)間，用該方法加工時(shí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)完全重合，定位精度高，加工出來(lái)的各個(gè)表面相互位置精度高。

▲圖1 普通卡盤(pán)與端面驅(qū)動(dòng)夾具加工原理示意圖

端面驅(qū)動(dòng)夾具按照頂尖類(lèi)型主要分為固定式和浮動(dòng)式。固定式由于制造精度高，對(duì)中心孔和端面的位置精度要求高（平面度和全跳動(dòng)小于0.03 mm），使用范圍有限［1］。浮動(dòng)式的驅(qū)動(dòng)爪可以根據(jù)端面的不平度浮動(dòng)調(diào)整，保證每個(gè)驅(qū)動(dòng)爪的壓力相同。目前國(guó)內(nèi)大多使用的為國(guó)外進(jìn)口或者仿制的柔性介質(zhì)浮動(dòng)端面夾具，此種夾具存在的問(wèn)題在于填充在夾具體內(nèi)的柔性介質(zhì)多為液壓油及特種塑料等有機(jī)物，易氧化老化，對(duì)密封性要求高，制造成本較高，使用的安全性和可靠性較差，維護(hù)困難。本文設(shè)計(jì)的夾具體其浮動(dòng)部分采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，制造成本低，安全可靠性好。

2 參數(shù)化夾具設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于能將設(shè)計(jì)理念和通過(guò)參數(shù)約束的圖形一起存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，在更改設(shè)計(jì)參數(shù)后能夠方便地獲得不同的零件圖形。本夾具是為不同尺寸的軸類(lèi)零件所設(shè)計(jì)，因此使用參數(shù)化設(shè)計(jì)后，當(dāng)工件直徑的范圍變化時(shí)，能夠方便地對(duì)夾具進(jìn)行更改。

CATIA （Computer Aided Tri－dimensional Interface Application）軟件是由法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的一款先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它的模塊功能全面而強(qiáng)大，能夠全面地對(duì)產(chǎn)品性能與質(zhì)量進(jìn)行分析，在零件設(shè)計(jì)模塊中具有先進(jìn)的交互式參數(shù)建模功能。在該模塊中，根據(jù)自上而下的設(shè)計(jì)原則，分別建立夾具各部分的三維模型，然后根據(jù)零件的真實(shí)材料特性，從材質(zhì)庫(kù)中分別賦予其材質(zhì)，包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比等。在裝配設(shè)計(jì)中，依次導(dǎo)入各零部件的數(shù)字模型，進(jìn)行零部件之間相互位置關(guān)系的約束，完成干涉檢查。

本夾具由連接盤(pán)、限位銷(xiāo)、夾具本體、連接本體、頂尖座、推桿、連接軸、頂塊、驅(qū)動(dòng)爪、頂尖等組成。工作時(shí)夾具通過(guò)連接盤(pán)與機(jī)床相連，推桿在液壓的作用下驅(qū)動(dòng)連接軸，連接軸帶動(dòng)頂塊，頂塊帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)爪頂緊工件端面旋轉(zhuǎn)。圖2為CATIA中裝配完成的夾具體模型總裝配圖。

4點(diǎn)浮動(dòng)是通過(guò)4個(gè)驅(qū)動(dòng)爪與頂塊配合實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)推桿驅(qū)動(dòng)頂塊后，頂塊帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)爪嵌入工件端面，驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)爪在杠桿原理作用下，可以隨著端面不平程度自動(dòng)浮動(dòng)，驅(qū)動(dòng)爪與頂塊間采用球副連接，使其承受各異面壓力時(shí)保證驅(qū)動(dòng)爪能夠靈活伸出和縮回，該夾具對(duì)于端面平面度的要求降低到2 mm左右，大大節(jié)約了加工成本。圖3為夾具體的核心部分4點(diǎn)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，且與柔性介質(zhì)夾具相比易于維修更換。

3 受力分析

▲圖2 端面驅(qū)動(dòng)夾具零部件及總裝配圖

▲圖4 驅(qū)動(dòng)爪的Von Mises應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

▲圖3 4點(diǎn)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)

在液壓力作用下，頂尖頂緊工件后，驅(qū)動(dòng)爪壓入工件端面一定深度（約為0.5 mm），驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，因此驅(qū)動(dòng)爪為主要受力部件，其材料為T(mén)10鋼。

該夾具主要應(yīng)用于軸類(lèi)零件的半精加工和精加工中，主切削力產(chǎn)生的力矩 MC為［2］：

式中：CFz、xFz、yFz、nFz、kFz為與切削參數(shù)有關(guān)的常數(shù)，通過(guò)查表可確定其數(shù)值［3］；RC為工件軸切削部分半徑；FC為主切削力；ap為背吃刀量；f為進(jìn)給速度；v為切削速度。

撥爪施加于軸上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩MD為：

式中：n為撥爪數(shù)；RD為撥爪刃尖至夾具回轉(zhuǎn)中心半徑；FD為單個(gè)撥爪驅(qū)動(dòng)力。

若要使切削能正常進(jìn)行，必須使MD＞MC，取極限情況 MD=MC由式（1）和式（2）推導(dǎo)出：

通過(guò)查表可知：CFz=1 764， xFz=1.0， yFz=0.75，nFz=0，kFz=1.0，RC=1.5RD

粗車(chē)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩為最大值，因此選取ap=5 mm，f=0.3 mm/r，v=50 m/min，計(jì)算得到 FD。

將夾具在CATIA零件設(shè)計(jì)模塊中建立的數(shù)字化三維模型調(diào)入CATIA中自帶的有限元分析模塊，并對(duì)其進(jìn)行定量化分析。忽略驅(qū)動(dòng)爪和夾具體間的摩擦力，為模擬驅(qū)動(dòng)爪實(shí)際工作狀態(tài)，定義其左端為球副約束，對(duì)刃口部分施加驅(qū)動(dòng)力，劃分二階網(wǎng)格后進(jìn)行計(jì)算，得到Von Mises應(yīng)力和應(yīng)變位移云圖,如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，最大等效應(yīng)力為 491 MPa，從圖 4（b）中可以看出最大應(yīng)變位移為0.024 mm，此結(jié)果能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)爪實(shí)際工作狀態(tài)的要求。加工時(shí)要在危險(xiǎn)區(qū)域作表面處理，避免加工缺陷而導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

4 效果驗(yàn)證

為比較該類(lèi)型夾具與普通三爪卡盤(pán)加工時(shí)的加工精度與工藝穩(wěn)定性，在機(jī)床和切削參數(shù)等其它條件完全相同的情況下，以普通三爪卡盤(pán)和端面驅(qū)動(dòng)夾具分別加工相同型號(hào)的80 mm長(zhǎng)的階梯軸零件，各加工9組，每組5個(gè)，檢驗(yàn)其同軸度，得到的X-R（平均值－極差）點(diǎn)圖如圖 5所示。［5］

圖5（a）圖中橫坐標(biāo)為零件組號(hào)，縱坐標(biāo)為每組零件同軸度的測(cè)量均值,實(shí)線和虛線分別代表了采用普通卡盤(pán)和端面驅(qū)動(dòng)夾具的加工誤差控制線，可以明顯看出,采用端面驅(qū)動(dòng)夾具的誤差控制線的范圍小于采用普通卡盤(pán)的。圖5（b）中橫坐標(biāo)為組號(hào)，縱坐標(biāo)為每組零件的極差（R=Xmax－Xmin），實(shí)線和虛線分別代表普通卡盤(pán)和端面驅(qū)動(dòng)卡盤(pán)的極差中心線，可以看出采用端面驅(qū)動(dòng)夾具零件尺寸一致性較好,加工精度和工藝穩(wěn)定性得到了較大提升。而加工時(shí)間方面,經(jīng)過(guò)測(cè)量，采用新型端面驅(qū)動(dòng)式夾具的加工輔助時(shí)間可縮短60%以上。綜上所述，采用這種新型端面驅(qū)動(dòng)夾具后的加工精度和加工效率都能夠大大提升。

▲圖5 普通卡盤(pán)和端面驅(qū)動(dòng)夾具加工X-R圖

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)被加工的軸類(lèi)零件直徑變化時(shí)，夾具的各部分尺寸也要作相應(yīng)地更改，由于采用CATIA的CAE和CAD模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以方便地對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析與修改，并對(duì)后續(xù)改進(jìn)提供參考。

總之，相較普通的以外圓為基準(zhǔn)定位的三爪卡盤(pán)，新型端面驅(qū)動(dòng)式夾具在加工精度和加工效率方面都有較大的提高，適應(yīng)于軸類(lèi)零件批量化生產(chǎn)的新要求，若將其推廣應(yīng)用，將具有良好的發(fā)展前景。

［1］ 鐘康民,王德云,張?jiān)?端面撥盤(pán)的結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992（8）:164－170.

［2］ 孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè) ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

［3］ 史全富,汪麟.金屬切削手冊(cè)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

［4］ 楊鋒平,孫秦.屈服準(zhǔn)則及切線模量修正的彈塑性計(jì)算模型［J］.力學(xué)學(xué)報(bào),2010（4）:804－810.

［5］ 周琴.加工誤差的原因及分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械,2011（2）:8－13.