數(shù)控加工機(jī)械零件中的專用夾具設(shè)計(jì)研究

陳艷芬

摘要：數(shù)控加工具有加工精密度高、適應(yīng)各種復(fù)雜工件等優(yōu)點(diǎn)，這使得其成為當(dāng)前常用的機(jī)械加工方法之一。在數(shù)控加工過(guò)程中，并非所有零件都適合直接數(shù)控加工，比如圓柱形坯料就需要輔以專用夾具才可實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工。文章以鎖芯零件加工為例，針對(duì)鎖芯銑削工序需要對(duì)專用夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使其能夠在數(shù)控加工中得以有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；機(jī)械零件；專用夾具；鎖芯零件加工；鎖芯銑削工序 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG57 文章編號(hào)：1009-2374（2016）16-0025-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.011

數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工工藝規(guī)程上具有高度的相似性，其加工原理相同，二者區(qū)別在于加工過(guò)程。數(shù)控加工工藝以自動(dòng)生成數(shù)碼表示程序輸入到數(shù)控程序中，用以數(shù)字化、自動(dòng)化控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)用，具有較高的智能化水平。數(shù)控加工工藝具有自動(dòng)化程度高、加工精度高、能加工復(fù)雜型面、零件一致性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其生產(chǎn)成本高、維修存在局限性，而且加工中難以調(diào)整，這就需要借助數(shù)控專用夾具的輔助作用來(lái)提升加工工藝水平。

1 鎖芯零件加工工藝設(shè)計(jì)概述

1.1 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

鎖芯零件數(shù)控加工工藝過(guò)程由若干個(gè)工序組成，而每個(gè)工序則又可分為若干個(gè)安裝、工位、工步及工作形成，其中工序是工藝過(guò)程的基本單元。工藝規(guī)程設(shè)計(jì)與制定的原始材料包括鎖芯零件裝配圖及零件圖、生產(chǎn)綱領(lǐng)與類型、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、毛坯生產(chǎn)水平、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件等，其中零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)計(jì)算公式為：。鎖芯零件表面加工方法選擇時(shí)需要考慮三個(gè)方面的問(wèn)題，即鎖芯表面幾何特點(diǎn)決定加工方法選擇范圍、方法的選擇取決睛鎖芯零件表面技術(shù)要求、加工方法的選擇需考慮零件材料性質(zhì)及可加工性。

鎖芯零件加工順序方面，加工階段分為粗加工階段、半精加工階段、精加工階段、光整加工階段。機(jī)床選擇的依據(jù)是零件生產(chǎn)數(shù)量，一方面考慮到經(jīng)濟(jì)性；另一方面考慮到加工工藝的要求，包括加工尺寸要求、精度要求、切削用量要求等。夾具選擇則依據(jù)零件加工數(shù)量與質(zhì)量要求，通常夾具的設(shè)計(jì)遵循高生產(chǎn)率原則。

切削用量的確定中，切削速度為：。式中：d表示工件或刀具的最大直徑；n表示工件或刀具的轉(zhuǎn)速。

背吃刀量的計(jì)算方式為：。式中：表示工件代加工表面直徑；表示工件已加工表面直徑。

在零件加工過(guò)程中，對(duì)于精加工要求的零件，其刀具耐用度最大的影響因素是切削速度，其次依次是進(jìn)給量和背吃刀量，因此在精加工時(shí)需要對(duì)切削速度進(jìn)行合理的選擇，其方法通常有計(jì)算法與查表法。

1.2 鎖芯零件工藝設(shè)計(jì)

在本文的研究中，數(shù)控加工零件選擇批量生產(chǎn)的鎖芯零件，數(shù)量為3000件，另外將該批次零件的備品率為10%，機(jī)械加工廢品率為2%，這種要求下的數(shù)控加工工藝規(guī)程如下：

鎖芯零件的材料為45號(hào)鋼，平面粗糙度為3.2，依據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)的計(jì)算公式可知生產(chǎn)類型為中批量生產(chǎn)（3360件/年）；鎖芯零件總長(zhǎng)度為37mm，截面為8mm，四邊長(zhǎng)為23.5mm，截面為圓形的直徑為11mm，長(zhǎng)為13.5mm；距圓端面24mm處有通孔，孔徑為4mm，圓柱面上方有3mm寬槽；圓柱端有一個(gè)直徑為5mm、長(zhǎng)為17mm的螺紋孔。

鎖芯零件的毛坯為直徑12mm的標(biāo)準(zhǔn)45號(hào)鋼棒料，結(jié)合鎖芯零件精度要求確定各面加工方法：（1）外圓加工采用粗車與精車兩道工序；（2）8mm邊長(zhǎng)平面采用粗銑和精銑兩道工序；（3）4mm直徑通孔直接用鉆床加工；（4）5mm直徑螺紋孔在外圓加工后再用車床加工。

考慮到此批鎖芯零件為中批量生產(chǎn)，可選用通用機(jī)床，并結(jié)合工藝要求設(shè)計(jì)專用夾具在數(shù)控銑床上完成平面銑削工序。加工工序設(shè)計(jì)為：（1）12mm直徑棒料粗車加工，加工余量為0.2mm；（2）外圓精車精工后直徑11mm；（3）切斷，總體尺寸37mm，鉆直徑5mm螺紋孔；（4）專用夾具，4個(gè)平面同時(shí)粗銑，加工余量為0.2mm；（5）精銑后斷面邊長(zhǎng)8mm；（6）通用夾具加緊銑出3mm寬的槽；（7）鉆床鉆通孔直徑為4mm；（8）攻絲，加工M5螺紋。

2 鎖芯加工數(shù)控機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的基本要求

對(duì)于本文中的鎖芯零件加工工藝要求，機(jī)床專用夾具需符合如下基本要求：一是確保鎖芯工件的加工精度，需要進(jìn)行專門的精度分析；二是選擇復(fù)雜度合適的夾具，縮短輔助實(shí)踐，提高生產(chǎn)效率；三是專用夾具工藝性好；四是專用夾具使用性好，操作安全便捷；五是經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化和成本低廉。

2.2 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的一般步驟

第一步，接到專用夾具設(shè)計(jì)任務(wù)書后研究加工工件圖與熟悉工藝文件；第二步，結(jié)合專用夾具設(shè)計(jì)任務(wù)書要求擬定夾具的結(jié)構(gòu)方案，包括確定夾具類型、確定工件地位方案、確定工件的加緊方式等，加緊方式的確定依據(jù)加緊力的計(jì)算結(jié)果，通常計(jì)算公式為：。式中：表示實(shí)際所需加緊力；K表示安全系數(shù)；表示靜力平衡算出的理論加緊力，安全系數(shù)的取值參考安全系數(shù)取值表。除此之外，還需確定刀具導(dǎo)向方式或?qū)Φ堆b置以及夾具體的結(jié)構(gòu)類型。夾具體的要求包括：有適當(dāng)?shù)木群统叽绶€(wěn)定性、有足夠的輕度和剛度、排屑方便以及在機(jī)床上安裝穩(wěn)定可靠。

2.3 夾具總圖設(shè)計(jì)

當(dāng)鎖芯數(shù)控加工工藝中的專用夾具結(jié)構(gòu)方案確定之后，接下來(lái)開(kāi)始對(duì)夾具進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)，即繪制專用夾具總圖，包括草圖與總裝圖。在繪制專用夾具總裝圖時(shí)除需遵循機(jī)械制圖的基本要求之外，還需考慮到專用夾具設(shè)計(jì)中的習(xí)慣與規(guī)定：（1）為避免直觀錯(cuò)覺(jué)，采用1∶1比例設(shè)計(jì)；（2）鎖芯零件用雙點(diǎn)畫線表示，并做透明處理，使其不影響夾具元件的投影；（3）以操作者面對(duì)的視圖為主視圖，要求視圖數(shù)量完整清晰地表示出整個(gè)結(jié)構(gòu)；（4）工件在夾具中應(yīng)處于加緊狀態(tài)；（5）當(dāng)元件位置可能發(fā)生變化或變化范圍較大時(shí)，需局部雙點(diǎn)畫線標(biāo)出極限位置，用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)中的干涉性；（6）將刀具與刀桿雙點(diǎn)畫線局部表示，用于檢測(cè)運(yùn)行時(shí)的相互干涉性。

圖1 專用夾具三視圖

按一般機(jī)械零件設(shè)計(jì)的銷與夾具體的配合尺寸及公差確定，需由經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)確定。通常生產(chǎn)工件的批量較大時(shí)，需考慮到夾具的使用壽命，此時(shí)可選取有關(guān)公差較小些的設(shè)計(jì)方案。此外，當(dāng)加工工件的精度要求較低時(shí)，可采用相關(guān)公差較大的設(shè)計(jì)方案。

3 鎖芯零件夾具設(shè)計(jì)方案

3.1 零件本工序的加工要求分析

本工序加工：尺寸為8mm的4個(gè)平面銑削。

在本工序加工之前，已對(duì)工件進(jìn)行表面粗加工，即直徑為11mm的圓柱外圓車削。

3.2 確定夾具類型

本文需加工的鎖芯工件尺寸不大，銑削過(guò)程中所需切削力較小，因此結(jié)合這些加工工藝要求和特征，可采用削孔配合夾具、螺栓加緊方式。

3.3 確定夾具一次加工零件數(shù)量

出于數(shù)控車床加工經(jīng)濟(jì)與效率因素考慮，在數(shù)控加工過(guò)程中，為達(dá)到車床加工時(shí)間最大，而且工件裝夾和拆卸時(shí)間最短，需要確定最合理的夾具一次加工零件數(shù)量，這樣可以大大提升生產(chǎn)效率。結(jié)合文本鎖芯加工的生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)機(jī)床加工時(shí)間為：。式中：T表示機(jī)床加工的總時(shí)間；m表示加工次數(shù)；n表示單次加工零件數(shù)量；、、分別表示加工一個(gè)零件用時(shí)、機(jī)床停機(jī)時(shí)間、裝夾具時(shí)間，其中m×n=300，m>1，n>1。

確定好各變量之后，建立數(shù)學(xué)模型，并利用LINGO軟件編程求解。求解結(jié)果顯示，最佳結(jié)果n=113.9，但是最終數(shù)據(jù)的確定還需考慮到所選數(shù)控銑床的實(shí)際情況。本文所選擇的數(shù)控銑床工作臺(tái)行程為600mm，夾具總長(zhǎng)不超400mm，裝夾尺寸為50mm，且需預(yù)留20mm間距，因此在這種要求下，單排零件數(shù)只能取13，但可采用雙排夾具，因此最終n的最佳值為26。

4 專用夾具裝夾零件加工及結(jié)果分析

在分析并設(shè)計(jì)鎖芯工件數(shù)控加工專用夾具之后，需要通過(guò)實(shí)體加工來(lái)驗(yàn)證專用夾具的性能和效果。由于本文采用的數(shù)控加工工藝，需通過(guò)基于Master CAM軟件為平臺(tái)驗(yàn)證應(yīng)用結(jié)果。

在驗(yàn)證鎖芯工件數(shù)控加工專用夾具的實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行數(shù)控編程。對(duì)實(shí)體進(jìn)行分析，利用ProE NC編程，建立自己的加工模型。具體步驟為：進(jìn)入Master CAM Mill v9.1工作界面，設(shè)置“構(gòu)圖面”為“F前視圖”，然后進(jìn)行圓柱實(shí)體創(chuàng)建，參數(shù)的確定則選擇上文設(shè)計(jì)中工件及夾具的具體數(shù)值。圓柱實(shí)體創(chuàng)建完成之后設(shè)定作圖深度Z為“-13.5”，矩形的寬、高均為8，點(diǎn)位置在中心。接下來(lái)進(jìn)行鎖芯零件實(shí)體4個(gè)平面創(chuàng)建、3mm槽創(chuàng)建、5mm直徑盲孔創(chuàng)建以及4mm直徑通孔創(chuàng)建。

鎖芯零件實(shí)體創(chuàng)建完成之后，進(jìn)行刀具路徑設(shè)計(jì)。刀具設(shè)計(jì)的步驟為：（1）在工作平臺(tái)界面點(diǎn)擊“繪圖→矩形→一點(diǎn)”，寬、高均選擇8，選擇坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心；（2）在主功能表中選擇“刀具路徑→外形銑削”，串聯(lián)圖素選擇矩形；（3）刀具參數(shù)中選擇“建立新刀具”；（4）“定義刀具”參數(shù)中，選擇“平刀”，具體參數(shù)選擇為刀長(zhǎng)35、肩部30、刀刃25、直徑12；此外“進(jìn)給率”500、下刀速率300、提刀速率3000、主軸轉(zhuǎn)速2000，其他參數(shù)默認(rèn)；（5）刀具參數(shù)確定之后進(jìn)行外形銑削參數(shù)設(shè)定，具體為：安全高度30，深度-23.5，進(jìn)給下刀位置2，XY方向與流量0.3，Z方向預(yù)留量0.1，其他參數(shù)默認(rèn)；XY平面粗銑與精銑次數(shù)為1，執(zhí)行精修的實(shí)際選擇最后深度，且不提刀；（6）Z軸分層銑深中精修次數(shù)為0，且不提刀，最大粗切深度為15，分層銑深順序?yàn)橐勒蛰喞?/p>

鎖芯工件實(shí)體模型與夾具模型構(gòu)建完成之后進(jìn)行專用夾具裝夾零件實(shí)體切削的應(yīng)用驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)加工結(jié)果顯示，數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，加工一個(gè)鎖芯所用的平均時(shí)間為2分鐘，而停機(jī)等待時(shí)間也為2分鐘，那么按照前文設(shè)計(jì)的雙排夾具26個(gè)零件為基本單位時(shí)，加工時(shí)間的結(jié)果對(duì)比表現(xiàn)為：?jiǎn)渭庸?6個(gè)鎖芯所用的總時(shí)間為154分鐘，其中單就零件加工用時(shí)為52分鐘，與采用專用夾具的加工方式相比無(wú)優(yōu)化表現(xiàn)，但是采用雙排26個(gè)零件的專用夾具加工時(shí)，停機(jī)時(shí)間則僅用10分鐘，而單個(gè)加工則需要104分鐘，說(shuō)明采用專用夾具時(shí)停機(jī)時(shí)間優(yōu)化率高達(dá)90.38%。而且從總時(shí)間來(lái)看，單個(gè)加工與采用專用夾具加工的時(shí)間對(duì)比為154∶62，時(shí)間優(yōu)化率為59.74%，這說(shuō)明采用專用夾具加工時(shí)，生產(chǎn)效率大大提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳飾勇.數(shù)控銑床加工滑桿的專用夾具設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2015，（8）.

[2] 范淇元.數(shù)控車床專用夾具設(shè)計(jì)與加工[J].裝備制造技術(shù)，2008，（7）.

[3] 張國(guó)政，徐小飛，劉順.面向數(shù)控加工的一體多件裝夾夾具設(shè)計(jì)[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，（7）

[4] 紀(jì)紅艷，席文彥.數(shù)控加工中的工藝與夾具設(shè)計(jì)探討[J].科技傳播，2014，（4）.