高效氣動夾具在球閥零件數(shù)控銑削加工中的應用

【摘要】本文結合筆者實際工作經(jīng)歷，通過深入一線調(diào)研、系統(tǒng)分析，并由筆者牽頭完成研制，將外貿(mào)件球閥加工時傳統(tǒng)的螺旋裝夾方式，提升為在數(shù)控銑床上利用氣動自動定位、夾緊，此設計大大較低了工人的勞動強度，提高了加工效率和加工質(zhì)量，是一種極具推廣價值的高效氣動自動夾具設計方案。

【關鍵詞】數(shù)控銑削；氣動夾具；優(yōu)質(zhì)高效；技師學院

一、本課題背景及設計要求

（一）本課題背景

1.總體情況概述

2012年以來，XX技師學院深入實施“產(chǎn)教融合、校企合作”辦學模式。該校與荷蘭百聯(lián)事國際貿(mào)易有限公司簽訂外貿(mào)加工訂單，內(nèi)容為生產(chǎn)高檔啤酒桶開關的球閥、閥芯等高精度不銹鋼零件，產(chǎn)品訂單累計4.1萬套，產(chǎn)值約200萬元。但長期受其中關鍵零件球閥加工質(zhì)量要求高、操作者勞動強度大、廢品率高等情況困擾，使該產(chǎn)品一度出現(xiàn)未能按時交貨、產(chǎn)品退貨率高、校企合作困難等情況。

2.本課題情況介紹

本課題主要為利用數(shù)控銑床進行球閥零件上下兩側槽的加工（數(shù)控車削部分已經(jīng)完成，其它圓周處輪廓待本工序完成后在車削中心上進行加工）。球閥零件上下兩側槽傳統(tǒng)加工方案如下：

（1）球閥上側槽加工：以球閥下底面和一個短圓柱銷進行定位，并配以螺釘和壓板從上至下螺旋手工方式進行夾緊。

（2）球閥下側槽加工：以球閥下底面和一個短圓柱銷進行定位，并以第一步完成的上側槽一側為輔助定位。同理配以螺釘和壓板從上至下螺旋手工的方式進行夾緊。

整套夾具體通過三處鉤頭壓板與數(shù)控銑床的工作臺連接（如圖2所示）。該夾具雖然簡單，但由于工件的定位、夾緊都是通過操作者手工的方式來完成，加工過程費時、費力，不僅效率低下，而且經(jīng)常出現(xiàn)由于操作者夾緊力控制不當，而使球閥上、下面夾傷造成廢品。同時，由于操作者需經(jīng)常使用扳手、內(nèi)六角等工具進行松、夾零件，有時會出現(xiàn)工具遺忘在數(shù)控銑床內(nèi)就開始加工的情況，人身和機床事故時有發(fā)生。

（二）本課題設計要求

本課題在XX技師學院進行了立項，作為校內(nèi)技改項目。通過整體夾具方案設計，擬采用氣動自動定位、夾緊的方式，要求最終設計完成的夾具：能方便可靠的與數(shù)控銑床連接，動作準確可靠、迅速方便，減輕操作者勞動強度，提高可靠性，由機床程序控制刀具對球閥零件進行加工，并保證加工完成后球閥零件的質(zhì)量要求。

二、本課題設計思路及實現(xiàn)

（一）課題設計思路

1.定位方案設計

（1）工序一（球閥上側槽加工）：一個面限制三個自由度、一個短銷限制兩個自由度，共限制五個自由度，定位方案屬于不完全定位。

（2）工序二（球閥下側槽加工）：一個面限制三個自由度、一個短銷限制兩個自由度、一個定位塊限制一個自由度，共限制六個自由度，定位方案屬于完全定位。

2.夾緊方案的確定

根據(jù)本課題工序加工內(nèi)容，夾緊方式可采用“拉”或“壓”等方式固定零件，結合本課題方便、實用的原則，最終確定為用漲力心軸，即向下“拉”住工件的方式。同時，考慮需滿足夾緊可靠性的要求，還要進行夾緊力的校核。

3.課題總體設計方案

氣動夾具結構簡單、輕便、安裝維護方便，排氣處理簡單，不污染環(huán)境?？蓪崿F(xiàn)集中供氣，短時間釋放能量，以獲得間歇運動中的高速響應等。并可實現(xiàn)緩沖，對沖擊負載和過負載有較強的適應能力。且在一定條件下，可使氣動裝置有自我保護能力，輸出力以及工作速度的調(diào)節(jié)容易，綜合成本較低等優(yōu)點，故針對本課題加工特點、切削力特性和加工精度要求，擬采用氣動夾具來實現(xiàn)。

（二）課題的實現(xiàn)

1.定位誤差的校核

（1）重復定位誤差：球閥兩側面的尺寸，，。（重復定位誤差為0）

加工尺寸的定位誤差，。（重復定位誤差為0）

（2）對刀誤差：由于是數(shù)控銑床，用坐標軸零點找正，所以對刀誤差：。

（3）夾具安裝誤差：因本夾具沒有設置定位鍵，夾具在數(shù)控機床上安裝時要在底座長邊和寬邊上來回打表將誤差控制到0.01mm內(nèi)。故：。

（3）夾具誤差：取。

（4）加工方法誤差：因該誤差影響因素較多，又不便于計算，所以根據(jù)經(jīng)驗，為留工件公差的1/3，計算可設：△G=δK=0.1/3=0.033

故：

JC=0.011，綜合以上分析，本次定位方案是合適的。

2.夾具主要零件材料的選用

（1）彈簧心軸：考慮夾具在使用過程中需要多次張緊，故元件表面需耐磨、防銹，而且還要有一定的彈性，故選65Mn，并采用淬火處理后，工作部分硬度達57～63HRC，底部40～45HRC。

（2）定位塊選用45#，熱處理：淬火，硬度達45～55HRC。

（3）拉桿材料選用45#，熱處理：調(diào)質(zhì)，硬度達40～45HRC。

（4）壓板材料用45#，熱處理：調(diào)質(zhì)，硬度達250～280HBS。

（5）彈簧夾頭選用65Mn，熱處理：調(diào)質(zhì)，硬度達250～280HBS。

其他零件考慮為一般功能，大多可選用45#，且能滿足夾具的強度和硬度要求。

3.氣壓回路及控制電路設計

（1）氣壓回路設計：壓縮空氣進入二位五通電磁換向閥，右位接通時氣壓通過節(jié)流閥從氣缸左側進氣，右側出氣；左位接通時氣壓通過節(jié)流閥從氣缸右側進氣，左側出氣。

（2）控制電路設計：SB1是常閉開關，SB2常開開關。當按下SB2時電流通過直流中間接觸器KM1，KM1開關閉合，二位五通電磁換向閥工作氣缸無桿端進氣，使壓板向下運動夾緊工件。當壓力到一定值時，壓力繼電器合上，電流通過接觸器KM2，KM2開關合上，小燈泡亮，表示可以加工工件。工件加工好后，斷開SB2，直流中間繼電器斷電，KM1開關斷開二位五通換向閥，在彈簧力作用下返回原位，氣缸有桿端進氣，使壓板松開，可卸下工件。

4.夾緊力校核

（1）切削功率：

（2）切削力：

（3）工件所需夾緊力，考慮4個工件需同時夾緊，故所需總夾緊力：

（4）壓板最小直徑拉力校核

三、本課題的效果

與XX技師學院傳統(tǒng)的螺紋下壓式手工夾緊方式相比（方案一），由于先前松、夾都需操作者手工完成，效率很低。采用本課題氣動自動夾緊方式后，四件球閥利用漲力心軸同時夾緊，大大減輕了操作者的勞動強度，準確性高、安全可靠，加工效率提高了近十倍。另一方面，本課題采用氣動自動夾緊工件，夾持力可靠且可調(diào)，加工質(zhì)量穩(wěn)定。而且可實現(xiàn)一人同時操作多臺數(shù)控機床，大大降低了人力資源成本，減少了固定設備投入，經(jīng)濟效益明顯提升。

參考文獻

[1]肖繼德，陳寧平主編.機床夾具設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008年3月.

作者簡介

張良，男，1981.12月，講師，教務處副處長，主要從事教學管理和機械類課程的教學及研究工作。