電腦橫機(jī)天橋的專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)

俞 彬，婁駿彬，章躍洪

（1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000；2.嘉興市宏聯(lián)電子科技有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

電腦橫機(jī)是一種由電腦顯示屏控制的自動(dòng)化雙針板舌針緯編織織機(jī)，在紡織品加工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。而天橋是電腦橫機(jī)中最重要的部件之一，現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電腦橫機(jī)天橋的廠家就多達(dá)幾十家，因此，如何實(shí)現(xiàn)天橋的高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)是天橋生產(chǎn)廠家所關(guān)心的主要問(wèn)題。由于電腦橫機(jī)天橋的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且要求保證頂部的兩斜面呈100°，這直接影響到了天橋的制造精度和生產(chǎn)周期。要解決好這個(gè)問(wèn)題最根本的就是要改變傳統(tǒng)的裝夾方式，設(shè)計(jì)出一副專(zhuān)用的夾具以方便天橋工件的定位、夾緊及加工，從而有效地保證天橋工件的質(zhì)量且提高生產(chǎn)效率。

1 電腦橫機(jī)天橋?qū)Ｓ脢A具的設(shè)計(jì)意義

1.1 橫機(jī)天橋加工的技術(shù)要求分析

橫機(jī)天橋（也稱(chēng)機(jī)頭橋臂）是電腦橫機(jī)的重要組成部分（如圖1所示），它與完成各種編織形式的橫機(jī)針板相連接，主要起固定針板的作用，并隨著針板在針床上來(lái)回運(yùn)動(dòng)。針床由一塊長(zhǎng)方形的鋼板制成，電腦橫機(jī)通常裝有前、后兩個(gè)針床，且兩針床夾角為100°。因此必須保證天橋的兩斜面也呈100°。橫機(jī)天橋的毛坯是鑄造出來(lái)的鋁件，已基本成型，屬于半成品且結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。對(duì)于這樣的天橋加工件而言，我們通常會(huì)采用三軸的數(shù)控銑床或是三軸的加工中心來(lái)加工。雖然采用數(shù)控加工的方式難度并不大，且工作量也小，但是要想快速準(zhǔn)確地定位工件使兩斜面在加工時(shí)處于水平狀態(tài)確并非易事。

1.2 傳統(tǒng)裝夾方式的局限性

在機(jī)械加工中夾具是保證工件合理定位、加速工藝過(guò)程的一種非?？煽康墓に囇b備，其種類(lèi)眾多且應(yīng)用非常廣泛。運(yùn)用三軸的數(shù)控銑床和加工中心加工箱體類(lèi)工件通常情況下根據(jù)需要會(huì)優(yōu)先采用普通平口鉗或是萬(wàn)能平口鉗這兩類(lèi)夾具。

圖1 電腦橫機(jī)天橋

普通平口鉗屬于通用可調(diào)夾具，由于其有定位精度較高、夾緊快速、通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此一直是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)床夾具［1］。但普通平口鉗具有只能水平方向裝夾而無(wú)法變換角度的特點(diǎn)，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)電腦橫機(jī)天橋帶角度的兩斜面的加工。

萬(wàn)能平口鉗雖可以實(shí)現(xiàn)特定范圍內(nèi)的空間角度旋轉(zhuǎn)，但是由于電腦橫機(jī)天橋的兩側(cè)面并非是堅(jiān)直的而是帶有傾斜角的，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，且兩側(cè)面間的距離相對(duì)較大，超出萬(wàn)能平口鉗的裝夾行程，故并不適合用萬(wàn)能平口鉗裝夾。

1.3 專(zhuān)用夾具應(yīng)具備的主要特性

由于專(zhuān)用夾具需要跟據(jù)電腦橫機(jī)天橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工技術(shù)要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造，因此所設(shè)計(jì)的夾具必須具備以下幾方面的主要特性：

（1）保證電腦橫機(jī)天橋兩斜面的加工精度。首先要選擇合理的定位方法及定位元件，并確定正確的定位基準(zhǔn)，同時(shí)還要進(jìn)行精度分析，從而保證加工后天橋的兩斜面呈100°夾角。除此之外，還要注意夾具中其他部件及裝夾后天橋本身不會(huì)對(duì)工件加工產(chǎn)生影響，確保夾具設(shè)計(jì)的合理性。

（2）方便裝夾，提高生產(chǎn)效率。所設(shè)計(jì)的夾具一定要結(jié)合電腦橫機(jī)天橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天橋工件的精確定位及快速裝夾。與此同時(shí)應(yīng)盡量選擇簡(jiǎn)便高效的裝夾機(jī)構(gòu)，縮短加工的輔助時(shí)間，從而更有效地提高生產(chǎn)效率。

（3）節(jié)約成本，方便制造。由于電腦橫機(jī)天橋的專(zhuān)用夾具制作屬于單件生產(chǎn)，因此夾具的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單合理、方便制造。此外組成夾具的普通部件應(yīng)盡量選用常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)元器件，這樣不僅方便了夾具的調(diào)整和維修，還大大地節(jié)約了制造成本。

2 電腦橫機(jī)天橋?qū)Ｓ脢A具設(shè)計(jì)方案

2.1 數(shù)控銑床夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

三軸的數(shù)控銑床和加工中心是加工電腦橫機(jī)天橋的常用設(shè)備，而加工中心對(duì)夾具的要求基本跟數(shù)控銑床夾具的設(shè)計(jì)要求相一致，因此本文就以數(shù)控銑床為例說(shuō)明此類(lèi)夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。首先，由于數(shù)控銑床在加工時(shí)切削力比較大，引起的振動(dòng)也會(huì)較大，因此所設(shè)計(jì)的夾具必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度；其次，為了方便數(shù)控編程，需要保持零件的定位方向與機(jī)床的坐標(biāo)系方向相一致，因此設(shè)計(jì)的夾具必須具有定向安裝功能；最后，為了防止夾具在零件加工的過(guò)程中與機(jī)床的刀具或主軸等發(fā)生碰撞，在設(shè)計(jì)時(shí)夾具的高度和寬度要適宜，最好高度/寬度≤1.2，這樣還能降低夾具的重心，使夾具安裝時(shí)更加穩(wěn)當(dāng)。

2.2 電腦橫機(jī)天橋的加工工藝對(duì)夾具設(shè)計(jì)的影響

電腦橫機(jī)天橋的零件圖如圖2所示。

圖2 電腦橫機(jī)天橋的零件圖

首先，由于天橋零件本身為鑄造件，零件結(jié)構(gòu)已基本成型，因此裝夾零件時(shí)不能損傷其他無(wú)加工要求的零件表面。其次，該零件只需加工零件的底部平面及頂部?jī)尚泵?，且都有加工后的表面粗糙度達(dá)到Ra1.6的要求，因此可知零件需要兩次裝夾加工；由于零件底部是沒(méi)有其他結(jié)構(gòu)的平面，故使用普通平口鉗就能實(shí)現(xiàn)零件的定位與裝夾，而經(jīng)過(guò)加工后的底面又可作為加工后續(xù)兩斜面的基準(zhǔn)面，方便零件的找準(zhǔn)與定位。最后，由于P向的兩斜面夾角須保證為100°且兩斜面的表面粗糙度也要達(dá)到Ra1.6，故需要準(zhǔn)確計(jì)算夾具實(shí)現(xiàn)零件位置定位的斜面傾斜角度值，以滿(mǎn)足兩斜面的角度要求且方便斜面的銑削加工。

2.3 定位方案的確定

結(jié)合電腦橫機(jī)天橋加工工藝分析可知，此天橋零件分兩道工序加工，先加工天橋底部再加工頂部?jī)尚泵?，因此可直接以天橋底部作為第一基?zhǔn)，限制零件Z方向的移動(dòng)和繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，并以垂直底部平面的方向作為夾緊力施力方向，防止加工過(guò)程中零件發(fā)生振動(dòng)或偏移。從電腦橫機(jī)天橋的零件圖中可看出天橋的底部平面中央是空心的，且結(jié)構(gòu)是一個(gè)規(guī)則的帶圓角長(zhǎng)方形，因此可以充分利用這一結(jié)構(gòu)，在夾具上設(shè)計(jì)一個(gè)和這個(gè)圖形一致的長(zhǎng)方形凸臺(tái)用于天橋零件的定位（如圖3所示），這樣既限制了零件X、Y方向的移動(dòng)又限制了繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而很好地實(shí)現(xiàn)了天橋零件的完全定位。

圖3 長(zhǎng)方形定位凸臺(tái)

2.4 夾具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述分析，筆者設(shè)計(jì)了一套針對(duì)電腦橫機(jī)天橋加工的專(zhuān)用夾具，其與電腦橫機(jī)天橋零件的安裝示意圖如圖4所示。該夾具由底板4、斜塊3和工件定位板2三部分組成，并且統(tǒng)一采用常用的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角螺栓裝配。工件定位板的傾斜角度由斜塊的傾斜角控制。由于必須保證電腦橫機(jī)天橋的兩斜面呈100°且在加工時(shí)需保證待加工斜面處于水平狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算斜塊的傾斜角應(yīng)保證為40°。此夾具的夾緊機(jī)構(gòu)采用由螺桿、螺母、墊片、壓板組成的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，既簡(jiǎn)單又方便。夾具體與機(jī)床工作臺(tái)之間也是通過(guò)常用的內(nèi)六角螺栓與T形塊連接，不但降低了成本還方便了夾具安裝元件的更換。

圖4 電腦橫機(jī)天橋?qū)Ｓ脢A具

2.5 銑削力的計(jì)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］，可查得銑削力為：

其中：為影響系數(shù)為銑削寬度，ae＝3mm；fz為每齒進(jìn)給量，fz＝0.15mm；d0為銑刀直徑，d0＝100mm；ap為銑削深度，ap＝2mm；Z為銑刀齒數(shù)，Z＝12；為修正系數(shù)，＝1.2。將相關(guān)參數(shù)代入式（1），計(jì)算得：Fc＝176N。

根據(jù)銑削時(shí)水平力FL、垂直分力FH、軸向分力FX與銑削力之間的計(jì)算公式可得：FL＝0.3Fc＝52.8 N，F(xiàn)H＝1.1Fc＝193.6N，F(xiàn)X＝0.54Fc＝95.04N。

2.6 夾緊力的計(jì)算

根據(jù)機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［3］，夾緊力由下式計(jì)算：

其中：K為總安全系數(shù)；μ1和μ2均為摩擦因數(shù)。

將K＝1.87和μ1＝μ2＝0.1代入式（2）可求得夾緊力Fk＝1 645.6N。

由于此套電腦橫機(jī)天橋?qū)Ｓ脢A具采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)且利用手動(dòng)方式夾緊，故一定可以滿(mǎn)足此夾緊力要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)理論計(jì)算，得出此套電腦橫機(jī)天橋?qū)Ｓ脢A具的設(shè)計(jì)是完全符合理論設(shè)計(jì)要求的。于是筆者制造出了此套夾具的實(shí)物（如圖5所示），并將其安裝到Vcenter－70高精度數(shù)控加工中心的工作臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證。然后將加工出來(lái)的橫機(jī)天橋零件成品（如圖6所示）放到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中進(jìn)行精確的精度測(cè)量，得出其兩夾角的角度誤差在0.2°～0.6°范圍內(nèi)，符合技術(shù)要求。由于這套夾具可以非常方便快速地實(shí)現(xiàn)天橋零件的加工定位，而不需要再通過(guò)其他方式找正，因此適合天橋零件的大批量生產(chǎn)。

圖5 電腦橫機(jī)天橋?qū)Ｓ脢A具實(shí)物圖

圖6 電腦橫機(jī)天橋零件實(shí)物圖

［1］李昶.平口鉗的合理選用［J］.機(jī)械工人·冷加工，2004（10）：58－59.

［2］李洪.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京出版社，1996.

［3］王光斗.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000.