磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具設(shè)計(jì)和分析

劉薇娜，陳莎莎，楊立峰

LIU Wei-na, CHEN Sha-sha, YANG Li-feng

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

磨粒流機(jī)床是使用聚合物載體和磨料組成的具有流動性的粘彈性材料對工件進(jìn)行拋光、去毛刺和倒圓角等加工的機(jī)床。磨粒流機(jī)床主要包括兩個(gè)垂直或者水平相對的磨料缸。磨料缸經(jīng)液壓夾緊，將工件和夾具固定在當(dāng)中，磨料通過工件從一個(gè)磨料缸進(jìn)入另一個(gè)磨料缸，往復(fù)運(yùn)行，完成加工。磨粒流機(jī)床夾具使工件位于適當(dāng)位置并且引導(dǎo)磨粒流到待加工表面進(jìn)行磨削加工，并且夾具需要與工件形成較小的空間通道來使磨料在狹小通道中進(jìn)行有效的加工。但是在磨粒流拋光機(jī)床上對工件進(jìn)行拋光時(shí)，往往需要針對被拋光零件的形狀尺寸，設(shè)計(jì)出一套專用夾具；當(dāng)零件形狀尺寸變化時(shí)，對應(yīng)的夾具就不再適用，需要重新設(shè)計(jì)夾具，成本昂貴，設(shè)計(jì)、制造周期長。當(dāng)被拋光零件種類多時(shí)，所需夾具數(shù)量眾多，致使夾具設(shè)計(jì)、制造工作量增大，造成人力、物力、資源的巨大浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性差。

針對磨粒流機(jī)床夾具存在的局限性，通用性差的問題，結(jié)合常用磨粒流機(jī)床加工的零件及零件尺寸，設(shè)計(jì)出磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具。實(shí)現(xiàn)更高的通用性，縮短設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本。并通過理論分析及有限元分析其在的工作壓力下夾具體的應(yīng)變情況，根據(jù)所得的分析結(jié)果對夾具再進(jìn)行優(yōu)化，以滿足性能要求。

1 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具性能

夾具設(shè)計(jì)需滿足使用過程中工件定位的穩(wěn)定性和可靠性；要有足夠的承載或夾持力度；要滿足裝夾過程中的簡單與快速操作；滿足夾具在調(diào)整或更換過程中重復(fù)定位的可靠性；要盡可能的避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。磨粒流機(jī)床夾具不僅要滿足普通機(jī)床夾具的性能要求還要對零件起定位作用且封堵住不需要進(jìn)行加工的地方，輔以磨粒流磨料能夠運(yùn)動到被加工的地方，從而對加工表面去毛刺和倒圓角。磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具是在實(shí)現(xiàn)普通磨粒流機(jī)床夾具的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“一體”即一個(gè)夾具體；不論被拋光零件形狀、種類、數(shù)量如何變化均在一個(gè)夾具體上進(jìn)行零件的定位、裝夾。夾具體與機(jī)床相連接部分采用螺栓連接，通用、方便、成本低?！皟?nèi)嵌多模塊組合結(jié)構(gòu)”即在夾具體內(nèi)部，根據(jù)被拋光零件的形狀、尺寸的不同，只需更換與之相應(yīng)的內(nèi)嵌模塊，形成與之相對應(yīng)的夾具，使之具有廣泛的適應(yīng)性，即結(jié)構(gòu)柔性。

2 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具設(shè)計(jì)

2.1 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具導(dǎo)流套設(shè)計(jì)

當(dāng)磨粒流從空間較大的機(jī)床磨料腔進(jìn)入夾具內(nèi)部時(shí)會因?yàn)榍粡降募眲∽冃《a(chǎn)生彈性湍流產(chǎn)生宏觀喇叭口現(xiàn)象及流速不均勻影響拋光精度。因此需要設(shè)計(jì)一導(dǎo)流套來解決此問題。導(dǎo)流套需直徑緩慢變小以解決彈性湍流問題。由于磨粒流機(jī)床磨料在加工腔體內(nèi)都是往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)加工，因此還需要一個(gè)倒流套來解決磨料回流過程中產(chǎn)生的彈性湍流現(xiàn)象。

2.2 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具多模塊載體設(shè)計(jì)

圖1 倒流套圖

多模塊載體需要實(shí)現(xiàn)被拋光零件的形狀、尺寸的不同，只需更換與之相應(yīng)的內(nèi)嵌模塊，形成與之相對應(yīng)的夾具，使之具有廣泛的適應(yīng)性，即結(jié)構(gòu)柔性。如圖2所示磨料流出通過弧形通道，螺紋孔用來做各部分連。接連接部分采用螺栓連接，通用、方便和成本低。

圖2 多模塊定位板圖

2.3 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具實(shí)例應(yīng)用

以拋光一圓柱齒輪為例，首先需要限制其自由度，其次需要形成合適的空間以實(shí)現(xiàn)良好的磨粒流拋光效果。

圖3 直齒圓柱齒輪夾具示意圖

如圖3所示，1導(dǎo)流套可以有效解決彈性湍流問題，提高磨料壓力，增大切削力，提高加工效率。2導(dǎo)流套引導(dǎo)磨粒流運(yùn)動方向，使參與磨削的磨粒在同一方向，增大磨削力。在5多模塊載體上選擇適用于齒輪尺寸的螺紋孔，與定位座7聯(lián)接，將齒輪8放到定位座7上，齒輪8的X、Y方向的軸向自由度、徑向自由度被限制，再安裝9墊片、10螺母、11堵頭，既限制磨粒流流向，又限制齒輪在Z方向的徑向自由度。選擇合適尺寸的內(nèi)套筒4，形成合適的磨粒流加工腔道。下導(dǎo)流套12既可以在磨料向下流動時(shí)，降低磨料壓力，提高下流速度，還可以在磨粒回流時(shí)解決彈性湍流問題，提高磨料壓力，增大切削力，提高加工效率。為防止磨料泄漏，有聯(lián)接部分安裝6密封圈。外套筒3既可以防止在有磨料泄漏時(shí)泄漏到機(jī)床上，還可以增加整個(gè)裝置的剛度，增大機(jī)床使用時(shí)的壓力范圍，更進(jìn)一步提高機(jī)床的適用性。整個(gè)裝置不僅完成了齒輪磨粒流加工的定位需要，而且齒輪尺寸改變時(shí)，只需更換一個(gè)合適尺寸的內(nèi)套筒4，無需再設(shè)計(jì)夾具，費(fèi)用降低，效率提高，整個(gè)夾具的適用范圍大大增加。

假設(shè)加工零件換成一噴油嘴，如圖4所示，只需更換堵頭，不再使用螺母和墊片。直接將噴油嘴12安放到定位座7中，然后擰上中心帶有孔的堵頭13。堵頭13即可以限制磨料直接流向噴油嘴，還可以防止磨料流入套筒。既實(shí)現(xiàn)加工需求，又快捷、方便，提高生產(chǎn)效率，縮短夾具設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本，很好地實(shí)現(xiàn)了通用性。

圖4 噴油嘴夾具示意圖

3 分析驗(yàn)證

磨粒流機(jī)床的壓力范圍通常在,假設(shè)所有壓力均加在夾具上并且取極限值。通過CATIA應(yīng)力分析模塊加載結(jié)果如圖5和圖6所示。其中圖5為加工件為齒輪時(shí)夾具所受應(yīng)力，圖6為加工件為噴油嘴時(shí)夾具所受應(yīng)力。由圖可知此夾具安全可行。

圖5 直齒圓柱齒輪夾具應(yīng)力圖

圖6 噴油嘴夾具應(yīng)力圖

4 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有磨粒流機(jī)床夾具存在通用性差問題進(jìn)行了探討和研究，針對存在的問題，設(shè)計(jì)了磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具設(shè)計(jì)，夾具體多模塊載體固定在下導(dǎo)流套并與夾具套筒固定，夾具體壓板與上導(dǎo)流套固定。整個(gè)內(nèi)嵌模塊固定在夾具體下導(dǎo)流套上。夾具體的上下導(dǎo)流套與機(jī)床連接。被加工零件形狀差異很大時(shí)，更換內(nèi)嵌模塊；差異不大時(shí)，更換零件既可。并且通過分析軟件驗(yàn)證了此夾具的合理性與可實(shí)現(xiàn)性。此磨粒流機(jī)床夾具操作簡單，效率高，經(jīng)濟(jì)性好。

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