淺析銑床多件聯(lián)動快速夾緊夾具的設(shè)計*

郭在云（云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南曲靖 655001）

淺析銑床多件聯(lián)動快速夾緊夾具的設(shè)計*

郭在云
（云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南曲靖 655001）

在普通銑床上,設(shè)計多件聯(lián)動快速夾緊專用夾具，用于加工帶式輸送機托輥軸，設(shè)計過程中定位方案的選定，保證了零件的定位精度和所需限制的自由度數(shù)；夾緊裝置設(shè)計可靠，夾緊行程小，實現(xiàn)快速夾緊；提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，降低零件的生產(chǎn)成本和工人勞動強度。

多件；夾具；定位；夾緊

帶式輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單、運輸量大、可連續(xù)工作等優(yōu)點，廣泛運用于火力發(fā)電廠、煤礦、有色金屬礦、選廠、碼頭等，主要用于輸送松散物料和成品件，根據(jù)輸送要求可單臺使用，也可多臺組合，實現(xiàn)長距離輸送。目前，隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展和機械制造水平的大幅提高，帶式輸送機輸送距離已達幾十公里，甚至幾百公里的“皮帶機長廊”工程也即將成為現(xiàn)實，可大幅度提高運輸能力，并大大緩解鐵路、公路的運輸，還有減低污染，保護環(huán)境的作用，因此帶式輸送機發(fā)展和應(yīng)用前景十分可觀。托輥在帶式輸送機中主要作用是支撐、防跑偏和減少皮帶磨損等作用，數(shù)量配置多，屬易損件。在生產(chǎn)制造中，托輥軸的加工工序繁瑣，加工效率低，因此經(jīng)常由于托輥生產(chǎn)影響整機完成工期。筆者曾在某大型國營煤礦機械廠工作，負責(zé)編制機加工工藝和夾具設(shè)計，針對托輥軸銑兩端面工序，設(shè)計了用于普通X5032立式銑床一次裝夾6根托輥軸快速、聯(lián)動專用夾具，大幅度提高了加工托輥軸的效率?，F(xiàn)將設(shè)計過程作如下分析，以供參考。

1 托輥軸加工工序分析

1.1 托輥軸加工工序分析

帶式輸送機的類型較多，煤礦常用的是800帶寬系列的輸送機，其托輥數(shù)量最多的是鉸接槽形托輥，該托輥軸主要有?25 mm×347 mm和?25 mm×465 mm兩種尺寸，如圖1所示。本工序是用普通立式銑床，在?25 mm的軸兩端分別銑削出長16 mm、厚度18 mm四個平面，平面將在下一個工序用鉆床加工出托輥相互鉸接的孔，屬大批量生產(chǎn)。通常設(shè)計的夾具一次只能夾2根托輥軸，單面銑削，加工過程中操作者需裝卸四次方可完成軸兩端的平面加工，反復(fù)裝拆工件降低定位精度，并增大工人勞動強度大，加工效率相當(dāng)?shù)停绕湓谠O(shè)備較少的企業(yè)，往往托輥軸加工緩慢而影響整臺產(chǎn)品的交貨期。

圖1 托輥軸工序圖

1.2 該托輥軸的加工分析、制定夾具設(shè)計方案

（1）托輥軸兩端加工的平面與托輥軸中心線對稱度為0.1 mm；

（2）托輥軸兩端加工的平面平行度為0.1 mm；

（3）兩端平面銑削長度均為16 mm、厚度為18 mm。

分析可知，此零件屬于小型零件，且精度不太高，零件的金屬切除率少，機床功率消耗不大，可在普通立式銑床上加工，并且對夾具的剛性要求不高，適合采用多件聯(lián)動夾具進行加工。筆者經(jīng)過多次設(shè)計比較后，確定了如圖2所示的定位、夾緊方式和組合式三面刃盤銑刀的夾具設(shè)計方案，該夾具可分別加工?25 mm×347 mm和?25 mm×465 mm兩種尺寸的托輥軸，在確保加工精度的前提下，一次裝夾6根托輥軸，并且整個銑削過程只需裝拆工件一次，銑床工作臺移動一次，就可完成托輥軸兩端四個平面的銑削，提高工效達6倍以上，并大幅減輕工人勞動強度。

2 定位方案設(shè)計

2.1 定位方案和定位元件的確定

該托輥軸是圓柱類零件，由于在銑床加工平面時的尺寸是長度16 mm、厚度18 mm，根據(jù)圖3建立的坐標，只需限制5個自由度，分別是、其中y?方向的自由度不需限制，屬于不完全定形位，從托輥軸的幾何形狀以及托輥軸中心線與加工平面的對稱度、平行度要求考慮，選用V塊作為定位元件效果最佳，V形塊為組合式兩端各一塊，可限制四個自由度，保證了所加工平面與托輥軸中心線的對稱度及兩平面的平行度要求。限制是用圖2中“活動定位塊”，裝夾托輥軸時未加工端必須與支承板表面接觸，支承板限制了托輥軸一個自由度，確保所銑削的平面長度達到16 mm。當(dāng)一端已加工完畢，加工另一端時，則必須將“活動定位塊”拆除銑刀方可進行銑削，由于刀具切削力小、加緊可靠，沿Y方向不會產(chǎn)生移動，因此已加工好的端面也不需再用“活動定位塊”進行定位。在夾具體上開有二通槽，分別安裝活動支承板，可滿足?25 mm×347 mm、?25 mm×465 mm兩種規(guī)格托輥軸的加工，使該夾具能加工兩種不同規(guī)格的托輥軸。V形塊共設(shè)計7快，V形面呈水平擺放，托輥軸裝在兩個V形面中級，V形塊兼定位及夾緊作用，如圖3所示。其中頂端一塊V形塊是固定不動，其余6塊是可移動的，V型塊相互之間安裝有復(fù)位彈簧。復(fù)位彈簧在安裝時就處于被壓縮狀態(tài)，有一定的預(yù)緊力，在裝工件時操作者需將兩相對V形塊分開，才能裝上工件，這樣可利于工件在未夾緊前保持其已定位置。

圖2 銑床多件聯(lián)動快速夾緊夾具結(jié)構(gòu)圖

2.2 定位誤差分析

該夾具定位原理如圖3所示，將托輥軸支撐在兩個短V形塊之間，可提高工件的剛度和定位穩(wěn)定性。V形塊呈水平放置，除兩端的以外，其余5塊V形塊均是雙面呈V形，使V形塊兼有定位和夾緊雙重作用，托輥軸定位時對中性好，如圖3所示。

在設(shè)計V形塊時，為保證托輥軸水平方向定位的穩(wěn)定，取α=900，安裝過程中必須保證7塊V形塊的高度保持一致，中心線在同一水平，這樣才能使定位精度得到保證。

圖3 夾具定位、夾緊示意圖

計算V形塊的定位誤差△D時，分析托輥軸工序圖可知，工序基準與單位基準不重合，基準不重合誤差采用V形塊為定位元件時，基準位移誤差

根據(jù)托輥軸工序圖、在V形塊定位情況及銑刀加工方向，可得定位誤差計算公式：

當(dāng)α=900時，△D=0.207δD，其中δD是工序基準與定位基準距離之間尺寸公差，如圖1所示。

檢驗該夾具設(shè)計的定位方案是否達到要求，能否保證工件加工精度，可用誤差計算不等式的公式進行驗算，即

其中，△Z-A—夾具制造、安裝誤差；△G—過程誤差；△D—定位誤差；δ—工件的加工允差。

由于△Z-A、△G主要與夾具制造、調(diào)整、機床的工作精度、刀具的制造誤差等因素有關(guān)，而與夾具定位方案、定位精度關(guān)系不大，通常進行檢驗時可按三項誤差平均分配，即滿足如下不等式，定位方案就能保證工件加工精度。即，

3 夾緊方案設(shè)計

通過對托輥軸工序圖分析，此零件屬于小型零件，加工過程中切削力小，機床功率消耗不大，所需夾緊行程較小，因此采用結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的螺旋夾緊機構(gòu)，如圖4所示。托輥軸支撐在左右兩塊V形塊上，由于V形塊兼有定位和夾緊功能，在夾緊的同時已定位的工件會產(chǎn)生輕微移動，采用圖4中夾緊手柄，可同時使左右兩排V形塊同步輕微移動，并依次將6根托輥軸夾緊。夾緊時雖然已定位的工件會產(chǎn)生輕微移動，但由于在各V形塊之間安裝的彈簧預(yù)緊力作用下，使夾緊行程小，可快速夾緊工件，不會破壞原定位。該托輥軸是圓柱形零件，定位時不需要限制Y的自由度，并且銑削軸兩端平面時銑刀進給方向與夾緊力方向一致，因此輕微移動不影響已確定的位置。但必須采用如圖所示夾緊方式，否則左右夾緊不同步的話，則會使托輥軸軸線產(chǎn)生偏移，破壞了工件已確定的位置。

圖4 螺旋夾緊結(jié)構(gòu)圖

螺紋選用方牙螺紋，自鎖性能好，夾緊的可靠性好。在銑削加工過程中，工件主要受力就是銑刀的切削力，由于切削量少，所以切削力也就小，其指小于螺旋夾緊力，因此夾緊可靠。螺旋夾緊夾緊力計算公式：

式中：W—螺旋夾緊機構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力（N）；

Q—原始作用力（N）；

L—作用力臂（手柄）（mm）；

d0—螺旋中徑（mm）；

α—螺旋升角（°）；

?1—螺旋表面處摩擦角（°）；

?r2—螺桿頂部與壓緊塊的摩擦角（°）；

r—螺桿頂部與壓緊塊的當(dāng)量摩擦半徑（mm）。

4 夾具體結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾具體是夾具的基座和骨架，通過它將夾具的各組成裝置和元件連結(jié)為一個整體，并通過它將夾具安裝在機床上，夾具各組成部分與夾具體有安裝尺寸精度要求，夾具相對于機床工作臺也有安裝位置要求。本夾具設(shè)計的夾具體如圖5所示，四個長孔是用T形螺栓固定夾具體與銑床工作臺的，夾具體與銑床工作臺位置是用圖3中T形槽定位鍵確定。由于本夾具可加工?25 mm×347 mm和?25 mm×465 mm兩種規(guī)格的托輥軸，則用于定位的左右V形塊應(yīng)能移動，如圖5所示，右邊的V形塊是活動的，當(dāng)V形塊在圖示“800型497規(guī)格”位置時，是加工?25 mm×347 mm規(guī)格的托輥軸；在“800型497規(guī)格”位置時是加工?25 mm×497 mm規(guī)格的托輥軸。V形塊在夾具體上的位置是用定位銷確定的，如圖5所示。

圖5 夾具體結(jié)構(gòu)示意圖

5 組合銑刀和對刀元件設(shè)計

在設(shè)計本夾具時，為提高加工效率，減少工件裝夾次數(shù)，設(shè)計了組合銑刀如圖6所示。用兩把?80×8（mm×mm）的三面刃盤銑刀，安裝在如圖6的銑刀架上，在刀具中間加上調(diào)整墊圈，該調(diào)整墊圈的長度尺寸，就決定了托輥軸兩端所銑削平面之間18 mm尺寸要求。加工時，一次可完成所夾的6根托輥軸一端上下兩個面的銑削，完成一端的加工后，將銑床工作臺水平移動至托輥軸另一端加工位置，即可進行加工。在整個銑削過程中，托輥軸只需裝夾一次就可完成四個面的加工。

銑床的對刀元件是用來確定刀具與夾具相互位置的元件，又稱為對刀塊。本夾具常用的是側(cè)裝對刀塊，該對刀塊是可換式，可根據(jù)加工的工件直徑尺寸不同，選用不同的對刀塊，如圖6所示。

圖6 組合銑刀結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)束語

在實際生產(chǎn)過程中，由于各個生產(chǎn)企業(yè)的加工產(chǎn)品、生產(chǎn)條件各不相同，在滿足使用要求和加工精度的前題條件下，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備情況，通過設(shè)計制造一些多件聯(lián)動快速夾緊的夾具，既保證了加工精度，又大幅提高生產(chǎn)效率和降低工人勞動強度，并可充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的潛力，降低新設(shè)備、新工藝裝備的采購成本，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，以獲得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。筆者所設(shè)計的該夾具在現(xiàn)場使用中，得到企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和操作者的普遍好評，雖然也存在著許多不足，但夾具設(shè)計方面有獨到之處，可以向讀者提供一些參考，同時希望讀者提出批評和建議。

［1］陳立德.工裝設(shè)計［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

［2］肖繼德，陳寧平.機床夾具設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］沈鴻，等.機械工程手冊第9卷機械制造工藝（三）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1983.

［4］陳德生.機械制造工藝學(xué)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2010.

［5］王慧，孫建香.AutoCAD2012機械制圖實例教程［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

Simple Discussion on the Design of Milling Jigs of Ganged Multiple Components with Fast Clamping Features

GUO Zai-yun
（Yunnan Vocation Institute of Energy，Qujing655001，China）

Design special jigs of ganged multiple components with fast clamping features on normal milling machines and use it for processing belt of conveyor supporting rollers.The option of positioning schemes in design process ensures the position accuracy and the limited free degrees of components;clamping device is designed reliably with short route and fast reaction;it’s helpful to enhance productivity efficiency and rate of equipment utilization,reducing the costs and labor intensity meanwhile.

multiple components；clamps；position；clamping

TG751.3

B

1009－9492(2014)05－0032－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.007

郭在云，男，1966年生，山東泰安人，大學(xué)本科，講師。研究領(lǐng)域：機械。已發(fā)表論文11篇。

(編輯：阮 毅)

*2011年云南省教育廳基金課題（編號：2011Y481）

2014－03－13