一種新型管類(lèi)零件加工的自動(dòng)夾具的探究

葉 周

（江蘇省昆山花橋國(guó)際商務(wù)城中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校）

一、創(chuàng)新背景

2006年江蘇省舉辦了首屆江蘇省職業(yè)教育創(chuàng)新大賽，主題是創(chuàng)新重在實(shí)踐，旨在培養(yǎng)廣大院校學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，形成一批創(chuàng)新成果。作品圍繞生活的技術(shù)、身邊的技術(shù)、生產(chǎn)的技術(shù)，由學(xué)生本人獨(dú)立（合作）構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作完成，或在老師指導(dǎo)下完成?？萍际菄?guó)家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂。創(chuàng)新是人類(lèi)自身存在與發(fā)展的客觀要求，是人類(lèi)社會(huì)文明與進(jìn)步的標(biāo)志，是人類(lèi)與自然交互作用的必然結(jié)果。

二、創(chuàng)新過(guò)程——組合式管類(lèi)零件支架夾具

蘇霍姆林斯基認(rèn)為，在學(xué)生的精神世界里，希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者和探索者的愿望更為強(qiáng)烈。在教學(xué)中，教師要放開(kāi)手讓學(xué)生在有限的時(shí)間和空間里多看、多動(dòng)、多思、多說(shuō)，使學(xué)生成為探索者，在實(shí)際生活中讓學(xué)生主動(dòng)去觀察、去思考，然后提出問(wèn)題。

1.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

機(jī)械制造業(yè)正朝著“無(wú)切削或少切削”方向發(fā)展，如采用板材進(jìn)行沖壓、滾壓、焊接等工藝，可以節(jié)省鋼材、動(dòng)力、機(jī)床設(shè)備和加工工時(shí)，達(dá)到質(zhì)量好、產(chǎn)量高和成本低的目的。但是，畢竟有一些薄壁零件的結(jié)構(gòu)不能采用沖壓、滾壓、焊接等工藝來(lái)代替，如形狀復(fù)雜的環(huán)形橫截面零件，只能采用車(chē)削方法。加工時(shí)主要存在以下問(wèn)題：

（1）車(chē)削薄壁管類(lèi)零件的主要問(wèn)題是變形，而產(chǎn)生變形的主要原因是切削力和夾緊力。薄壁管類(lèi)零件剛性低，在夾緊力和切削力作用下非常容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致吃刀深度不均和讓刀現(xiàn)象。

（2）因其結(jié)構(gòu)單薄，零件尺寸較大，環(huán)形截面復(fù)雜和材料切削性較差（如高溫合金、鋁合金等），因此難以保證一定的加工精度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

（3）薄壁管類(lèi)零件金屬體積小，總的熱容量小，使加工后的零件出現(xiàn)形狀和尺寸誤差。改善或改變夾緊力對(duì)零件的作用是減少切削力、切削熱的一個(gè)主要方法。

學(xué)生提出了目前市場(chǎng)上常用的管類(lèi)零件支架夾具存在著需要用兩個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)夾緊、效率低下、安全性不高以及成本高的問(wèn)題，因此想設(shè)計(jì)出一種新型夾具，需要解決這三大問(wèn)題：（1）提高管類(lèi)零件的加工生產(chǎn)效率；（2）可與機(jī)械加工流水線配套，調(diào)節(jié)快速、方便、安全；（3）可適用于不同尺寸管件的加工等優(yōu)點(diǎn)。

2.提出假設(shè)

假設(shè)（1）：使用一個(gè)氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)夾緊和松開(kāi)，這樣節(jié)約成本可以嗎？

假設(shè)（2）：使用兩個(gè)三爪自定心氣動(dòng)卡盤(pán)，在卡盤(pán)里安裝軸向定位裝置可行嗎？

假設(shè)（3）：使用一個(gè)氣缸作驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在滑塊上面鋪設(shè)導(dǎo)軌可以嗎？

3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果

假設(shè)（1）：方案：使用一個(gè)氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)原理圖，反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：成本的確降低，但夾緊力不均勻，工件局部容易變形，而且工件尺寸不好調(diào)節(jié)，加工時(shí)軸向定位困難。

假設(shè)（2）：方案：采用兩個(gè)雙三爪自定心氣動(dòng)卡盤(pán)，在卡盤(pán)里安裝軸向定位裝置，實(shí)現(xiàn)了卡盤(pán)的自動(dòng)夾緊與松開(kāi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：該夾具需要人依次把加工好的工件拿走，再去安裝下一個(gè)工件。浪費(fèi)時(shí)間，效率低下，而且不安全，而且采用兩個(gè)氣動(dòng)卡盤(pán)，成本較高，該方案不合理。

假設(shè)（3）：方案：使用一個(gè)氣缸作驅(qū)動(dòng)，氣缸上裝有連接塊，連接塊凹槽內(nèi)裝有曲柄，主軸上裝有對(duì)稱(chēng)的連桿座，連桿另一端與滑塊成動(dòng)連接，滑塊安裝在滑塊座內(nèi)，滑塊端裝有管件夾頭，在兩滑塊上方各有一向前傾斜的管件存放架，在兩滑塊管件夾頭前方中間裝有固定管件夾頭。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）從成本考慮，改善前需要用到兩個(gè)油缸、一個(gè)油壓電磁閥以及整套油壓系統(tǒng)，預(yù)計(jì)成本費(fèi)用約15000 元，改善后直接用氣缸帶動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，只需要一個(gè)氣缸、一個(gè)氣壓電磁閥、一套三點(diǎn)組合，預(yù)計(jì)成本費(fèi)用約3000 元。（2）從操作性考慮：改善后人工一次性將多根管件整齊放在入料軌道上，雙手啟動(dòng)按鈕，機(jī)臺(tái)可直接按順序夾緊、放松。從操作性考慮，改善后的人工可節(jié)省很多時(shí)間，大大降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度。（3）從安全系數(shù)考慮：改善后只有在放料件前接觸機(jī)臺(tái)，一旦啟動(dòng)后人工只要在下游接加工過(guò)的管件即可。該方案合理。

三、新型管類(lèi)零件加工的自動(dòng)夾具偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

1.最小傳動(dòng)角γmin 與極位夾角θ 之間的關(guān)系

通過(guò)數(shù)學(xué)建模，得到最小傳動(dòng)角γmin與極位夾角θ 大小有關(guān)，與滑塊的行程無(wú)關(guān)，極位夾角θ 越小，最小傳動(dòng)角γmin就越大，而最小傳動(dòng)角越大，就越有利于傳動(dòng)。一定的情況下，應(yīng)該選用較小的極位夾角，讓?duì)胢in大些。

2.確定偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的尺寸

已知滑塊的行程速比系數(shù)K=1.20，滑塊行程H=100 mm，使所設(shè)計(jì)的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角取得最大值。根據(jù)K=1.20，由查表得到θ=16.36°，（γmin）max=47. 21°，β3=13.18°。

四、作品運(yùn)用原理

1.氣壓傳動(dòng)

雙活塞桿雙作用氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。缸體固定時(shí)，其所帶載荷（如工作臺(tái)）與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進(jìn)入氣缸兩腔（一腔進(jìn)氣，另一腔排氣），活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)，安裝所占空間大，一般用于小型設(shè)備上。

2.偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

氣缸工作時(shí)，活塞桿定時(shí)地上下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)著軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，裝在軸上的曲柄實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而連桿帶動(dòng)著活動(dòng)夾模（滑塊）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了工件的依次定時(shí)夾緊與松開(kāi)。

3.公差測(cè)量與互換性知識(shí)

該夾具原理簡(jiǎn)單，成本低，但該夾具由很多零件組成，在設(shè)計(jì)零件尺寸時(shí)，要考慮零件的配合制度，有的尺寸要符合過(guò)盈配合，讓夾具在工作時(shí)具有較好的穩(wěn)定性；有的尺寸要符合間隙配合，方便更換不同類(lèi)型的夾模和調(diào)節(jié)管內(nèi)零件的尺寸。

五、作品簡(jiǎn)介

其特征在于氣缸上裝有連接塊，連接塊凹槽內(nèi)裝有曲柄，主軸上裝有對(duì)稱(chēng)的連桿座，連桿另一端與滑塊成動(dòng)連接，滑塊安裝在滑塊座內(nèi)，滑塊端裝有管件夾頭，在兩滑塊上方各有一向前傾斜的管件存放架，在兩滑塊管件夾頭前方中間裝有固定管件夾頭。本實(shí)用新型解決了目前管類(lèi)零件加工夾具之不足。

作品主要優(yōu)點(diǎn)：（1）價(jià)廉，自動(dòng)化程度高；（2）可與機(jī)械加工流水線配套，調(diào)節(jié)快速、方便、安全；（3）可適用于不同尺寸管件的加工。

［1]孫恒.機(jī)械原理［M].北京：高等教育出版社，2001.

［2]韓仕龍.創(chuàng)新點(diǎn)金石［M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2013-11.

［3]中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.