應(yīng)用四軸加工圓孔座板的夾具設(shè)計(jì)

殷建勝

（廣東省國防科技高級技工學(xué)校，廣東廣州510515）

0 引言

加工中心的問世使機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展邁進(jìn)了一個(gè)新時(shí)代。對于有條件應(yīng)用加工中心的使用者來說，所謂“加工難，精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大”的話題已成過去，這是一個(gè)事實(shí)。

從加工原理的角度看：多軸的加工中心具有對加工件進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的切削加工的功能，使絕大多數(shù)加工件在一次裝夾加工中就能獲得成型。而三軸加工中心只具有對工件的頂面進(jìn)行切削加工的功能，若遇形狀較復(fù)雜的加工件要在加工中獲得成型，則要進(jìn)行多次裝夾加工。

從加工精度的角度看：多軸的加工中心在一次裝夾的條件下完成整個(gè)加工過程，加工精度較容易滿足。換句話說，在同一要求的條件下它較容易保證加工件的精度要求。三軸加工中心在加工形狀較復(fù)雜的情況下，由于它要通過多次變換裝夾才能完成對被加工件的加工，如果沒有注意每次裝夾的合理性（如夾具的設(shè)計(jì)制造；加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一；加工件位置的準(zhǔn)確測量，即俗稱“對刀”等），被加工件的精度要求大多數(shù)還是很難保證的。

1 圓孔座板的斜孔加工工藝制定

有約2000個(gè)舊圓孔座板，因設(shè)計(jì)改造，需要在圓孔外周鉆φ6mm斜孔（圖1）。分析圖紙得知需要加工部位的精度要求和加工數(shù)量，如果使用鉆銑床加工，該設(shè)備主軸無法擺成一定的角度，加工精度也很難達(dá)到產(chǎn)品的需求。分析認(rèn)為這個(gè)零件在四軸加工中心上加工更合適，加工效率更高，只需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用夾具。

1.1 圓孔座板的斜孔加工工藝分析

（1）待加工孔中心軸與對稱孔中心軸成60°±0.1°，而且孔中心軸線經(jīng)過φ20mm通孔的圓心，加工公差只有±0.1°。

（2）同一側(cè)孔的中心距為15±0.02mm，孔的尺寸公差是H7（圖2）。

1.2 加工工藝制定

該工件需要加工的部位為孔加工，且該孔的尺寸精度和位置精度要求高，所以工藝規(guī)程中分鉆、鉸兩個(gè)工序。由于需要加工孔的中心軸線不在同一個(gè)平面，完成一側(cè)的孔加工后需要轉(zhuǎn)動(dòng)60°再加工另一側(cè)的孔，需要設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的夾具。

2 圓孔座板的斜孔加工夾具設(shè)計(jì)

2.1 夾具的設(shè)計(jì)原理

圖1 零件圖

圖2 局部加工圖

（1）設(shè)計(jì)一套夾具在四軸加工中心上加工，使該夾具可以隨著四軸加工中心的第四軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)產(chǎn)品也轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使φ6mm孔鉆頭不用擺角度就可以分別鉆φ6mm孔與另外一邊的φ6mm孔，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有孔的加工。

（2）為了保證φ6mm孔的位置精度和尺寸精度，加工工件的旋轉(zhuǎn)中心必須是φ20±0.01mm通孔的圓心。也就是說，此夾具要滿足加工工件、夾具和機(jī)床的第四軸旋轉(zhuǎn)中心必須同心這個(gè)條件。

2.2 夾具定位元件的確定

夾具定位元件如圖3所示。

圖3 定位元件

2.2.1 芯棒

將該產(chǎn)品φ20±0.01mm通孔置于芯棒上，可消除產(chǎn)品Z、Y方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及X軸的移動(dòng)五個(gè)自由度。

2.2.2 水平擋塊

通過輔助側(cè)板固定在產(chǎn)品底部，可消除產(chǎn)品繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 夾緊方案及夾緊裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)夾緊力應(yīng)朝向主要定位基準(zhǔn)，并使其作用點(diǎn)落在被加工產(chǎn)品剛性較好的部位的原則，可選用快速螺旋壓板機(jī)構(gòu)（圖4），使夾緊力作用在產(chǎn)品φ20±0.01mm通孔的左端面上。

圖4 夾緊機(jī)構(gòu)

2.4 夾具剛性分析與誤差分析

（1）夾具的主要元件是芯棒，是承受大部分切削力的部件，而芯棒的直徑只有φ20mm，在加工的過程中會(huì)發(fā)生震動(dòng)，影響產(chǎn)品加工部位的位置精度。為了避免發(fā)生震動(dòng)這種情況的出現(xiàn)，可以在夾具的左側(cè)增加頂針來提高夾具的剛性，夾具采用一夾一頂?shù)姆绞窖b夾（圖5）。

圖5 剛性分析圖

（2）夾具在定位產(chǎn)品時(shí)，水平擋板可能與產(chǎn)品之間有間隙，產(chǎn)品裝夾的角度誤差不影響產(chǎn)品的加工誤差。當(dāng)產(chǎn)品以φ20mm通孔的圓心為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)0.1°時(shí)，產(chǎn)品底部的間隙是0.07mm，輔助側(cè)板φ20mm通孔的圓心到底面的設(shè)計(jì)尺寸為（30±0.05）mm，這個(gè)夾具可以滿足產(chǎn)品的加工需求（圖6）。

2.5 夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化

產(chǎn)品在本夾具裝夾需要加工的部位是通孔，為了避免孔加工時(shí)對芯棒產(chǎn)生切削力，影響加工精度，可以在芯軸上增加兩條避空槽，在加工時(shí)避開芯棒（圖7）。

圖6 誤差分析圖

圖7 避空槽圖

2.6 產(chǎn)品的定位與夾緊

（1）產(chǎn)品是采用芯棒夾具進(jìn)行裝夾的，安裝好夾具校正芯棒的中心軸線與機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸中心軸線同軸后，從夾具左邊把產(chǎn)品套進(jìn)去，產(chǎn)品φ20的通孔與芯棒φ20的外圓配合，碰到φ30外圓的左端面停下，就限制了產(chǎn)品五個(gè)自由度（沿X、Y、Z軸的移動(dòng)和繞Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)），也保證了產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)中心軸線與夾具的旋轉(zhuǎn)中心軸線同軸（圖8）。

圖8 產(chǎn)品在芯棒定位圖

（2）鎖緊底板底部螺絲保證產(chǎn)品的水平位置，同時(shí)也限制了產(chǎn)品繞X軸旋轉(zhuǎn)的自由度。

（3）應(yīng)用夾緊裝置對產(chǎn)品進(jìn)行壓緊，完成對產(chǎn)品的裝夾（圖9）。

圖9 產(chǎn)品夾緊效果圖

2.7 夾具的設(shè)計(jì)小結(jié)

2.7.1 孔的中心軸之間的角度

當(dāng)鉆好左側(cè)孔時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸后，再鉆右側(cè)孔，因?yàn)楫a(chǎn)品是定位在夾具上的，機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸與夾具一起運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)中心、夾具的旋轉(zhuǎn)中心和機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心是同軸的，所以產(chǎn)品、夾具的誤差對此的影響可以忽略。影響孔的中心軸之間的角度的關(guān)鍵因素在于機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度，而機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度為±0.01°，產(chǎn)品要求的精度為±0.1°，完全符合要求。

2.7.2 孔的中心軸之間的孔距精度

在進(jìn)行產(chǎn)品加工時(shí)，由機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)與X軸移動(dòng)來確定孔的位置，Y軸不做任何作用，所以影響孔中心軸孔距精度的因素是X軸的重復(fù)定位精度（機(jī)床的反向間隙），而機(jī)床X軸的重復(fù)定位精度為0.005mm，產(chǎn)品要求孔中心孔距為±0.02mm，符合要求。

2.7.3 使用本夾具后加工效率有很大的提升

主要體現(xiàn)在：（1）夾具對產(chǎn)品的重復(fù)定位精度高，不需要多次的對刀分中。（2）因?yàn)榧友b了開口墊片，裝拆產(chǎn)品時(shí)不需把夾緊機(jī)構(gòu)全拆下來，只需擰松螺絲把開口墊片取下就可以對工件進(jìn)行裝拆。

3 結(jié)語

生產(chǎn)此套夾具，加工精度和生產(chǎn)成本較低，在中、小批量的生產(chǎn)中，生產(chǎn)成本基本上可以忽略不計(jì)，使用此套夾具進(jìn)行零件生產(chǎn)，可以對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，零件從二次裝夾減少到一次裝夾，節(jié)省了裝夾輔助時(shí)間，更好地保證了加工零件的尺寸精度，提高了加工效率，同時(shí)也降低了生產(chǎn)操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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