圓環(huán)式薄壁夾具的設(shè)計(jì)

王 新 呂海波 孫 琦

(1.遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧 撫順113122)

0 前言

我國(guó)的薄壁夾具研究始于20世紀(jì)60年代左右，當(dāng)時(shí)建立了面向工業(yè)的保定向陽(yáng)機(jī)械廠，后又建立了數(shù)個(gè)生產(chǎn)組合夾具元件的工廠。20世紀(jì)80年代以后，獨(dú)立開(kāi)發(fā)了適合NC機(jī)床、加工中心的孔系組合夾具系統(tǒng)，基本滿足了我國(guó)國(guó)內(nèi)的需求?，F(xiàn)今，內(nèi)撐裝置從橋梁、航空、地鐵、軍工、隧道等產(chǎn)業(yè)可以看出發(fā)展得非?？臁?nèi)撐裝置要從工作效率、人工成本、產(chǎn)品合格率等效益考慮，才能從現(xiàn)在競(jìng)爭(zhēng)社會(huì)中脫穎而出。但是，由于技術(shù)的需要，每年依舊需進(jìn)口不少薄壁夾具，價(jià)格昂貴，加大了生產(chǎn)成本。國(guó)內(nèi)薄壁夾具基本上是基于內(nèi)三爪卡盤的形式，容易引起工件變形[1]，夾緊力過(guò)于集中，需要多次調(diào)整，浪費(fèi)時(shí)間，難以提高作業(yè)效率，基于此對(duì)圓環(huán)式薄壁夾具進(jìn)行研究，能夠降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)率，提高效率、保證焊接質(zhì)量，防止薄壁工件的變形。

1 總體方案的確定

為了實(shí)現(xiàn)薄壁夾具在作業(yè)過(guò)程中高速度、高效率的功能。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的夾具機(jī)構(gòu)，主要的內(nèi)支撐元件采用圓形楔塊的形式，同時(shí)結(jié)合菱形推桿結(jié)構(gòu)，完成內(nèi)支撐的作用。方案的設(shè)計(jì)能夠滿足準(zhǔn)確定位和減小焊接變形問(wèn)題，不需要與其他機(jī)床設(shè)備組合使用。圓環(huán)式薄壁夾具的大體結(jié)構(gòu)分為5部分：定位元件、夾緊元件、驅(qū)動(dòng)部分、支架部分、傳力機(jī)構(gòu)。定位元件采用環(huán)形2片式組合形式，防止受力點(diǎn)集中，同時(shí)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，剛度大，質(zhì)量輕，受力效果好。夾緊元件與定位元件結(jié)合，通過(guò)傳力機(jī)構(gòu)，將夾緊力傳遞給工件。傳力機(jī)構(gòu)采用菱形推桿形式，當(dāng)需要夾緊工件時(shí)，利用驅(qū)動(dòng)部分帶動(dòng)菱形推桿動(dòng)作，使2片環(huán)形內(nèi)撐動(dòng)作，當(dāng)與薄壁工件接觸后，停止動(dòng)作，完成定位，繼續(xù)增加推桿動(dòng)作，使工件夾緊。而支架部分主要承載著需要加工的零件以及薄壁夾具部分。

2 定位方式的設(shè)計(jì)

定位方式對(duì)于圓形零件來(lái)說(shuō)，常常采用外圓定位和內(nèi)孔定位2種形式[2-3]。外圓定位常常采用V型塊，定位套，但是對(duì)于薄壁筒來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)V型塊只限制4個(gè)自由度，需要軸向限制其他自由度，對(duì)于薄壁筒來(lái)說(shuō)，軸線方向定位較難。而利用定位套能夠滿足定位方案，但是對(duì)于大型薄壁筒來(lái)說(shuō)，定位套的設(shè)計(jì)也需要與零件相匹配，同時(shí)要考慮后期夾緊方式就不好設(shè)計(jì)了。當(dāng)采用內(nèi)孔定位時(shí)常采用定位心軸，定位銷和圓錐銷的形式，此種方式都能夠很好地限制工件自由度。通過(guò)分析薄壁工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合定位方式采用內(nèi)孔定位能更好地完成焊接加工過(guò)程。由于薄壁工件需要旋轉(zhuǎn)完成對(duì)接焊接過(guò)程，因此對(duì)于該種零件采用不完全定位的方式，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析采用定位心軸的結(jié)構(gòu)形式[4-5]。本次設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)圓環(huán)作為定位心軸，限制了工件的2個(gè)移動(dòng)和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，一共4個(gè)自由度，同時(shí)一端采用小端面的形式，限制了移動(dòng)的自由度，由于工件需要旋轉(zhuǎn)，因此不需要限制旋轉(zhuǎn)的自由度，定位合理準(zhǔn)確。同時(shí)圓環(huán)還能夠減少定位元件的重量，節(jié)約成本，提高效率。

內(nèi)撐圓環(huán)部分直接作用在加工工件上，因此其尺寸應(yīng)該根據(jù)具體加工工件的尺寸確定，本次設(shè)計(jì)以薄壁工件內(nèi)徑為500mm，因此內(nèi)撐圓環(huán)部分的直徑設(shè)計(jì)為490mm，同時(shí)圓環(huán)設(shè)計(jì)成2個(gè)部分，中間留出間隙，也可以做成三瓣的形式，因?yàn)槿暝O(shè)計(jì)形式本身有自定心的作用，可以省略圓度測(cè)定的功能，但是有些情況下，三瓣形式需要在中間設(shè)計(jì)間隙的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)間隙不均勻的情況，所用本次設(shè)計(jì)采用兩瓣的圓環(huán)設(shè)計(jì)，也可以在后期夾緊時(shí)候能夠調(diào)整。

4 夾緊裝置的設(shè)計(jì)

夾緊裝置通常有3種常用的夾緊機(jī)構(gòu)，斜楔型夾緊機(jī)構(gòu)、螺旋型夾緊機(jī)構(gòu)和凸輪式夾緊機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，夾緊可靠，而且擴(kuò)力比較大，螺旋型夾緊行程不受限制，自鎖性好，夾緊動(dòng)作慢等特點(diǎn)，應(yīng)該比較廣泛。而且?jiàn)A緊機(jī)構(gòu)在傳遞力的過(guò)程中，能根據(jù)需要改變力的大小、方向和作用點(diǎn)。手動(dòng)夾緊的夾緊機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的自鎖性，以保證人力的作用停止后，還能可靠地夾緊工件。同時(shí)夾緊力方向與作用點(diǎn)選擇也是非常重要的。主要考慮夾緊力應(yīng)朝向主要限位面；夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)落在定位元件的支承范圍內(nèi)；夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)靠近工件的加工表面。

在設(shè)計(jì)夾緊裝置和夾緊元件時(shí)，主要考慮徑向變形情況，本文設(shè)計(jì)的夾緊方式是采用圓環(huán)形式，即內(nèi)撐圓環(huán)既作為定位元件，又作為夾緊元件，內(nèi)撐的圓環(huán)圓度和大小與薄壁筒的大小相適應(yīng)，同時(shí)，圓環(huán)的重量也不需要太重，因此夾緊過(guò)程中增加了夾緊裝置和零件的接觸面積，同時(shí)使得薄壁筒受力均勻，減小了在焊接過(guò)程中的變形，設(shè)計(jì)合理，準(zhǔn)確。

4 其他部分的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部分可以是手動(dòng)的形式，也可以采用液壓或者電動(dòng)形式。如果所加工的產(chǎn)品屬于單件小批量生產(chǎn)類型時(shí)，可以采用手動(dòng)的形式，利用手柄旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)傳力機(jī)構(gòu)傳給菱形推桿，菱形推桿動(dòng)作使內(nèi)撐圓環(huán)張開(kāi)，完成動(dòng)作。如果大批大量生產(chǎn)時(shí)，可以采用液壓形式，利用液壓泵帶動(dòng)傳力機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成定位和夾緊。支架部分通常設(shè)計(jì)成整體式結(jié)構(gòu)鑄件形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易變形。同時(shí)運(yùn)送工件的小車也是重要的部分，小車在軌道上行走，可以節(jié)省工人運(yùn)送工件的時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)對(duì)薄壁工件的圓環(huán)內(nèi)撐夾具設(shè)計(jì)，此裝置目前在橋梁、隧道建筑業(yè)中常見(jiàn)，但是在工業(yè)中很少，在閱讀分析了大量資料后，設(shè)計(jì)出了比較合理的圓環(huán)內(nèi)撐夾具，該裝置可以大大降低零件加工過(guò)程中的變形，加工過(guò)程中容易保證加工質(zhì)量，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用，同時(shí)滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，但也存在不足之處。比如同軸度要經(jīng)常檢查，運(yùn)輸裝置過(guò)于龐大，由于物件太大，裝置占地空間大，部分操作還存在手動(dòng)調(diào)節(jié)，在上下物料時(shí)搬運(yùn)可能會(huì)出現(xiàn)變形，但是該裝置并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。