氣動執(zhí)行閥數(shù)控銑削加工的夾具設(shè)計(jì)與裝夾

牛曉莉

摘 要：通過氣動執(zhí)行閥結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工工藝分析，對易造成零件加工困難、裝夾變形等影響零件加工質(zhì)量穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，優(yōu)化氣動執(zhí)行閥結(jié)構(gòu)件加工工藝流程，設(shè)計(jì)出專用夾具，解決了零件裝夾困難、變形等問題，實(shí)現(xiàn)氣動執(zhí)行閥結(jié)構(gòu)件優(yōu)質(zhì)高效穩(wěn)定的生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：氣動執(zhí)行閥;數(shù)控銑削;夾具設(shè)計(jì)

氣動執(zhí)行閥是用于鍋爐或其他熔煉爐上的控制裝置，主要用途是控制進(jìn)入氣體的頻率，氣動執(zhí)行閥主軸每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)就是控制氣體進(jìn)入的頻率。為了實(shí)現(xiàn)氣動執(zhí)行閥密封性的目的，在執(zhí)行閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，廣泛采用了無縫鋼套筒，由于其制造成本低、產(chǎn)量大、密封性好等特點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)及一些有密封要求的作輸送氣、流體的管道或結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用較多。

我校與某爐窯節(jié)能股份有限公司校企合作時(shí)遇到了大批量氣動執(zhí)行閥零件的加工，其材質(zhì)為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。根據(jù)圖1所示，該工件尺寸大而壁薄的形狀、高精度的尺寸和粗糙度要求、大的金屬去除量，并且在切削加工過程中切削力和夾緊力等因素的影響下，使得工件或刀具在切削加工過程中容易振動、變形等現(xiàn)象極其明顯。這些因素的共同作用下，最終會導(dǎo)致執(zhí)行閥結(jié)構(gòu)件薄壁類零件加工質(zhì)量和加工效率的低下，無法提高產(chǎn)品的競爭力，甚至損害企業(yè)的利益。在實(shí)際加工過程中筆者經(jīng)過認(rèn)真分析及設(shè)計(jì)，形成了完善工藝加工方案，設(shè)計(jì)出專用的夾具，使加工質(zhì)量得到了有效的控制，加工效率提高。

一、工藝特點(diǎn)分析

該零件材料為Q235，毛坯料外徑為φ325mm。從圖1可以看出該零件壁薄肋薄且壁厚為5mm的無縫管筒，剛性差，零件經(jīng)過焊接前后兩端軸套后的長度尺寸大于400mm，尺寸精度0.03mm、形位公差要求及表面粗糙度要求較高。此外，該零件加工面較多，既要考慮如何保證工件在加工時(shí)的定位精度，又要考慮裝夾方便、可靠、以及重復(fù)裝夾定位精度。由于該氣動執(zhí)行閥筒體有165mm、219mm、273mm和325mm四個(gè)尺寸型號，165mm、219mm可以在加工中心（四軸）上一次裝夾完成兩端前后軸套的銑削加工，保證同軸度形位公差。但273mm和325mm型號加上兩端的前后軸套，超出了加工中心（四軸）的轉(zhuǎn)動范圍，加工完工件前端軸套后，旋轉(zhuǎn)180°加工后端軸套，就會與機(jī)床的工作臺發(fā)生干涉，無法繼續(xù)加工。在零件檢測方面，用戶要求使用氣動執(zhí)行閥主軸加上配套銅墊，穿過前端軸套與后端軸套相互配合（如圖2所示），執(zhí)行閥主軸可以靈活轉(zhuǎn)動，不允許出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)動、卡死等情況。在長度大于400mm的薄壁筒體上，保證銑削后，前端和后端軸套不變形、同軸度形位公差不超過φ0.03mm，這是加工過程中的難點(diǎn)。

二、零件產(chǎn)生變形的原因分析

1.易受力變形：因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀公差;

2.易受熱變形：因工件較單薄，切削熱會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制;

3.易振動變形：在切削力（特別是粗加工時(shí)的切削力）的作用下，容易產(chǎn)生振動和變形，直接影響工件的尺寸精度和表面粗糙度。

由于零件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，加工時(shí)采用輕切快跑的方式，產(chǎn)生的熱量小并且有充足的切削液冷卻，所以排除了熱變形的影響。加工過程中，前端軸套內(nèi)孔可以在加工中心（四軸）上采用一夾一頂裝夾銑削出來，不會發(fā)生受力變形。而后端軸套銑削加工時(shí)，由于工作臺干涉問題就需要掉頭裝夾，采用三軸加工中心，定位基準(zhǔn)面為前端軸套的頂面。如果夾緊前端軸套的頂面，數(shù)控銑削后端軸套的內(nèi)孔時(shí)，形成了尺寸大于400mm的長懸臂工件，加之中間的支撐筒體（空心型腔）又是大尺寸薄壁件，剛性差，數(shù)控銑削時(shí)，由于切削力會導(dǎo)致工件振動和擺動，使后端軸套變形、偏離軸線，與前端軸套不同軸，為了克服加工過程中切削力產(chǎn)生的零件移動或者旋轉(zhuǎn)，必須施以較大的壓緊力，而大的壓緊力導(dǎo)致了零件自身的變形最終導(dǎo)致廢品。

通過分析，影響該零件變形的主要原因在于銑削加工過程中裝夾、壓緊時(shí)受力大小、受力方向和受力點(diǎn)。為保證氣動執(zhí)行閥結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量，提高加工效率，必須增加零件銑削加工剛性的支撐。

三、加工工藝方案

為了提高產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，對于批量長懸臂薄壁零件加工我們必須從工藝安排、夾具設(shè)計(jì)、設(shè)備的選擇、刀具幾何參數(shù)、程序的編制等方面進(jìn)行綜合考慮。 本文重點(diǎn)從夾具設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析如何在反復(fù)裝夾后保證零件加工精度。

圖3所示，該零件加工的內(nèi)容多，加工工序較多，尺寸精度、形位公差要求較高，如果單純采用四軸聯(lián)動的加工中心加工的話，只能完成165mm、219mm型號加工，而273mm、325mm型號由于工作臺的干涉無法完成。必須分多次裝夾，才能完成，由于多次裝夾必然產(chǎn)生累計(jì)誤差，增加了對尺寸控制的難度，影響了效率的提高，因此，為了最大限度地消除多次裝夾產(chǎn)生的累計(jì)誤所以只能采用加工中心（四軸）與加工中心（三軸）配合完成各工序的加工。

根據(jù)零件特點(diǎn)，制定加工工藝流程見表 1。

四、夾具設(shè)計(jì)及裝夾

由于該零件的加工工藝較復(fù)雜，包含了普車、數(shù)控車、焊接、數(shù)控銑等，本文重點(diǎn)講解數(shù)控銑的夾具設(shè)計(jì)及裝夾。

在工序50數(shù)控銑加工中心（四軸）上，利用車削好的工件內(nèi)腔定位，裝夾方式為三爪自定心卡盤+尾座，一夾一頂保證工件有足夠的剛性不變形（圖4所示）。銑削工件前端軸套頂面，銑平即可，作為后續(xù)加工的基準(zhǔn)面;銑削軸套孔mm，保證尺寸，鉆4×φ10mm孔，鉆M8mm螺紋底孔，倒角。

在工序60數(shù)控銑加工中心（三軸）上，由于工件長臂懸梁，筒體空腔較薄，剛性較差，采用常規(guī)的通用夾具來裝夾工件及切削加工，將難于控制工件的振動、變形，很難達(dá)到技術(shù)要求，因此，需要設(shè)計(jì)出一套適合零件的專用夾具（圖5所示）。

使用了新設(shè)計(jì)的夾具裝夾后效果顯示：零件精加工完成后，用執(zhí)行閥主軸穿入配合測試，執(zhí)行閥主軸可以較靈活的轉(zhuǎn)動，無帶力、卡死現(xiàn)象，完全滿足企業(yè)的使用要求。利用該夾具裝夾方法我們完成了本批產(chǎn)品零件和另外一種長度尺寸為325mm型號工件的加工，全部符合圖樣要求，取得了良好的效果。

五、總結(jié)

通過對夾具設(shè)計(jì)與裝夾，有效的解決了零件裝夾，保證了零件加工的尺寸精度和大批量加工中的尺寸穩(wěn)定性。 同時(shí)也方便操作者在實(shí)際加工過程中的操作，大大提高批量零件加工效率，在教學(xué)實(shí)踐中也得到了廣泛運(yùn)用。

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