數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)與改進(jìn)探索

范遠(yuǎn)波

摘要：隨著我國(guó)制造行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用規(guī)模也得到較快提升。數(shù)控銑床的高精度、高速度、復(fù)合化等特點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用于制造加工領(lǐng)域。在數(shù)控銑床應(yīng)用過(guò)程中，數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床加工效率的重要影響因素之一，因此做好數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作意義重大。本文主要闡述了數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題、設(shè)計(jì)步驟與內(nèi)容以及設(shè)計(jì)改進(jìn)方法進(jìn)行具體分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；工裝夾具設(shè)計(jì)；改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TG751 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2016）009-000-02

數(shù)控銑床應(yīng)用較為廣泛，其可以用于平面、斜面和成型面加工。工裝夾具主要是根據(jù)工件加工過(guò)程的某道工序要求以及相關(guān)生產(chǎn)需要等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的[1]。而夾具設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)工件質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等影響較大。夾具設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)單實(shí)用，可制造性好，便于裝配維修。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，工裝夾具的質(zhì)量和效率限制著數(shù)控銑床的大量應(yīng)用，如何采用合理改進(jìn)方法解決機(jī)床夾具設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題意義重大。

一、數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

數(shù)控銑床實(shí)際加工過(guò)程對(duì)工裝夾具的要求相對(duì)簡(jiǎn)單，一般只需要工裝夾具做到有效定位和夾緊作用。根據(jù)數(shù)控銑削加工工藝要求，對(duì)數(shù)控銑床工裝夾具進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)遵循以下4個(gè)要點(diǎn)：首先是夾具開(kāi)敞程度，通常工件實(shí)際加工過(guò)程中，應(yīng)確保工件待加工面完全暴露，需盡可能增加夾具開(kāi)敞程度。這使得工件加工面與夾緊機(jī)構(gòu)的元件保持合適的安全距離以及夾緊機(jī)構(gòu)的元件位置相對(duì)較低，以防止銑床主軸套筒和刀具與夾具發(fā)生相互干涉。其次是保證機(jī)床零件安裝方位與使用的數(shù)控機(jī)床和編程坐標(biāo)系保持一致，工裝夾具應(yīng)采用不定向安裝設(shè)計(jì)，保證零件定位面與數(shù)控機(jī)床間坐標(biāo)可以相互轉(zhuǎn)換。最后是夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮夾具的剛性和穩(wěn)定性問(wèn)題，保證夾具的剛性和穩(wěn)定性符合數(shù)控銑床加工要求。同時(shí)也需明確是否進(jìn)行更換夾緊點(diǎn)以及更換方式的問(wèn)題，實(shí)際加工過(guò)程中夾緊點(diǎn)更換以及更換方式都有可能對(duì)工件或夾具定位精度造成嚴(yán)重影響，因此實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)夾緊點(diǎn)更換方式進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而確保工件或夾具定位精度。除上述的數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)外，還需考慮數(shù)控銑床的加工效率和操作性的問(wèn)題，應(yīng)采用合理化設(shè)計(jì)保證加工過(guò)程簡(jiǎn)單實(shí)用、操作靈活方便，可有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)安全。

二、數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題研究

數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)可以歸納為以下4點(diǎn)：首先是保證夾具的夾緊力適當(dāng)，不會(huì)損傷工件，如夾緊力過(guò)大可能導(dǎo)致工件變形，而夾緊力過(guò)小則會(huì)夾不穩(wěn)工件。同時(shí)也需要考慮夾具材料材質(zhì)問(wèn)題，如夾具材料過(guò)硬可能劃傷工件。工件夾緊過(guò)程中，確保工件受力點(diǎn)間的受力均衡，避免工件傾斜。同時(shí)夾緊力應(yīng)盡量在接近切削部位及剛性好的主支承點(diǎn)位置上。所以調(diào)整夾緊力方向與切削力、工件重力方向基本一致，可有效降低夾緊力，夾緊力方向也應(yīng)垂直于工件剛度最大的方向，保證工件不會(huì)變形。其次是根據(jù)工序坐標(biāo)圖，明確程序原點(diǎn)、起刀點(diǎn)和走刀路線等位置。工裝夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，工作人員應(yīng)在工藝圖中注明程序原點(diǎn)、起刀點(diǎn)和走刀路線等坐標(biāo)位置，進(jìn)而建立工件與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確保下一步夾具安裝情況示意圖的繪制工作。接下來(lái)是確保夾具制造效率的提高。夾具制造過(guò)程應(yīng)大量使用組合夾具、模塊化夾具和成組夾具，從而有效提高夾具制造效率，縮短工件生產(chǎn)周期以及降低生產(chǎn)成本[2]。同時(shí)為保證機(jī)動(dòng)和輔助時(shí)間重合，可使用氣動(dòng)、液壓和組合夾緊裝置，同時(shí)也可使用聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)或者可調(diào)換夾具。最后夾具設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行夾具防碰撞檢驗(yàn)，工裝夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)各個(gè)加工要求設(shè)置夾具以防止刀具與夾具碰撞。同時(shí)合理設(shè)計(jì)加工的起刀點(diǎn)與走刀路線，避免夾具與刀具或機(jī)床干涉，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)設(shè)計(jì)模擬仿真軟件檢驗(yàn)刀具和夾具間的干涉情況，可進(jìn)行有效的防碰撞計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果編入加工程序。

三、數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計(jì)步驟與內(nèi)容

首先進(jìn)行工件分析，確定加工工藝與工序。這工作需要了解工件的特點(diǎn)、材料性質(zhì)以及相應(yīng)的技術(shù)要求。同時(shí)對(duì)加工余量、精度、定位和表面情況進(jìn)行分析，也需要考慮定位基準(zhǔn)和前后工序連接情況，綜合分析后確定出合理的加工路線。設(shè)計(jì)夾具過(guò)程中走刀次數(shù)的確定至關(guān)重要，其次數(shù)確定可參考刀具、機(jī)床的參數(shù)。加工過(guò)程應(yīng)盡可能一次裝夾和加工成形，有效縮短加工生產(chǎn)實(shí)際，提高生產(chǎn)效率和加工精度。其次盡量加快裝夾速度，可在數(shù)控銑床加工工件過(guò)程中，使用多位、多件夾具，加快裝夾速度以及縮短加工時(shí)間。再次是對(duì)刀點(diǎn)的選擇，通常為了簡(jiǎn)化程序計(jì)算，對(duì)刀點(diǎn)選擇應(yīng)根據(jù)零件的定位基準(zhǔn)，以便進(jìn)行機(jī)床找正檢測(cè)，盡可能的減小加工誤差。一般加工人員將對(duì)刀點(diǎn)選擇在工件的基準(zhǔn)上。接下來(lái)刀具和切削用量進(jìn)行合理化選擇，保證刀具的形狀和尺寸符合夾具設(shè)計(jì)要求，避免機(jī)床超程、撞刀情況。同時(shí)機(jī)床的切削用量的選擇應(yīng)根據(jù)加工方式，如機(jī)床進(jìn)行粗加工時(shí)，生產(chǎn)效率的有效提高是基礎(chǔ)條件，通常其切削量和切削力相對(duì)較大，因此應(yīng)重點(diǎn)考慮工件裝夾穩(wěn)定性和夾具負(fù)荷。若機(jī)床進(jìn)行半精加工和精加工時(shí)，工件裝夾的精度是切削用量選擇的重要參數(shù)。最后是夾具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，夾具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化可保證各零部件采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可提高夾具制造的精度與生產(chǎn)效率。夾具設(shè)計(jì)的通用化，其具體指夾具設(shè)計(jì)不再以單一產(chǎn)品為設(shè)計(jì)對(duì)象，而是可進(jìn)行類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。因此夾具設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征、尺寸、用途和加工精度進(jìn)行具體分類，以便于夾具的通用性的有效提高。

四、數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計(jì)改進(jìn)方法

1.多個(gè)工件實(shí)現(xiàn)一次裝夾

工裝夾具設(shè)計(jì)采用壓縮空氣作為動(dòng)力源，對(duì)夾具進(jìn)行松開(kāi)以及夾緊操作，這極大方便工作人員的手工換刀作用，而加裝自動(dòng)控制裝置則可進(jìn)行自動(dòng)換刀，這種換刀可進(jìn)行多種表面的次序加工。但這種換刀過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，如自動(dòng)換刀出現(xiàn)故障概率較大，這個(gè)加工過(guò)程中的較大比例的故障都出現(xiàn)在自動(dòng)換刀裝置。因此基于加工要求的基礎(chǔ)上，對(duì)換刀次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改進(jìn)，縮短加工時(shí)間，降低故障頻次以及提高數(shù)控機(jī)床的安全穩(wěn)定性。針對(duì)這種情況進(jìn)行的設(shè)計(jì)優(yōu)化為多個(gè)工件一次裝夾設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工藝的優(yōu)化調(diào)整，盡可能的減少換刀次數(shù)。根據(jù)工件加工尺寸要求和數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)行程，工裝夾具設(shè)計(jì)成每次裝夾10個(gè)工件，工件數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，對(duì)其進(jìn)行A、B兩孔擴(kuò)鉸作業(yè)。首先將10個(gè)工件排列成兩行，每行5個(gè)工件，具體如圖1所示，使用A孔擴(kuò)孔刀依次對(duì)10個(gè)工件的A孔進(jìn)行擴(kuò)孔[3]。A孔擴(kuò)孔刀換為B孔擴(kuò)孔刀后，依次對(duì)10個(gè)工件的B孔進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔作業(yè)完成后將B孔擴(kuò)孔刀換為A孔鉸刀，依次對(duì)10個(gè)工件的A孔進(jìn)行鉸孔。作業(yè)完成后將A孔鉸刀換為B孔鉸刀，依次對(duì)10個(gè)工件的A孔進(jìn)行鉸孔。從換刀次數(shù)來(lái)看，10個(gè)工件進(jìn)行擴(kuò)鉸作業(yè)只需進(jìn)行4次換刀操作，這最大限度的節(jié)約加工時(shí)間。

2.多件裝夾工裝夾具設(shè)計(jì)要求

多件裝夾工裝夾具設(shè)計(jì)要求具體可包括以下四點(diǎn)：首先是確定工件數(shù)量和相應(yīng)布置方式，這需實(shí)際參考工件形狀尺寸、數(shù)控機(jī)床尺寸、機(jī)床行程以及生產(chǎn)批量等相關(guān)技術(shù)參數(shù)。同時(shí)也應(yīng)對(duì)工件距離進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保該距離方便進(jìn)行工件裝卸和清除作業(yè)。同時(shí)多個(gè)工件一次裝夾后，需要保證工件的敞開(kāi)性以便進(jìn)行工件的集中加工作業(yè)。其次應(yīng)保證各定位元件間距離相對(duì)精確，如圖2所示，工裝夾具每組定位元件圓柱銷與菱形銷距離為a1和b1，該距離參數(shù)可由工件尺寸進(jìn)行具體確定。不同定位元件間距離，如兩圓柱銷距離a2和b2，該距離數(shù)值的精確度應(yīng)相對(duì)較高，保證機(jī)床移動(dòng)元件完成相應(yīng)程序移動(dòng)后，各工件仍保持原來(lái)的精確位置。接下來(lái)是有效的夾緊方式，夾緊元件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單以保證刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程的安全性，同時(shí)也可采用聯(lián)動(dòng)夾緊方式，該方式同時(shí)夾緊多個(gè)工件，縮短工件加工時(shí)間。通常一個(gè)壓板可同時(shí)夾緊2個(gè)工件，但目前數(shù)控銑床使用的是工序集中加工方式，實(shí)際區(qū)分粗、精加工工件較為困難，因此其夾緊力較大，這會(huì)在工件表面留下壓板的壓痕。該問(wèn)題的有效解決方案是壓板與工件接觸部位間焊上一定厚度銅層。最后是立式數(shù)控銑床使用工裝夾具的問(wèn)題。立式數(shù)控銑床實(shí)際使用過(guò)程中，加工切屑容易大量積累在工件和夾具表面。設(shè)計(jì)工裝夾具時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮加工切屑問(wèn)題，其對(duì)工序集中以及連續(xù)加工的自動(dòng)控制裝置的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)相應(yīng)設(shè)計(jì)使得切屑及時(shí)清除和收集，保證自動(dòng)刀具切削以及定位元件精度。通常有效的解決方式是使用切削液沖刷或者壓縮空氣吹掃加工切屑。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)要點(diǎn)的闡述，對(duì)數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題、設(shè)計(jì)步驟與內(nèi)容以及設(shè)計(jì)改進(jìn)方法進(jìn)行具體分析。不難看出，工裝夾具設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)控銑床加工生產(chǎn)至關(guān)重要，在數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)可能的影響因素進(jìn)行全面分析，并從實(shí)際生產(chǎn)細(xì)節(jié)出發(fā)，對(duì)工裝夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化改進(jìn)，才能使得工裝夾具設(shè)計(jì)更符合實(shí)際生產(chǎn)要求，從而有效推動(dòng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]欒琪，唐永亮，趙長(zhǎng)祜.淺談工裝夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)[J].中國(guó)機(jī)械，2013，（13）.

[2]張瀅瀅，劉春雨.關(guān)于機(jī)床夾具的發(fā)展前景的探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，（26）.

[3]周太平，康志成，夏翔.數(shù)控銑床與加工中心夾具設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2011，（2）.