基于金屬切削加工中氣動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)

練浩琦，趙忠玉

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

1 背景及意義

近幾年，隨著加工制造業(yè)高速切削技術(shù)的發(fā)展，勞動(dòng)生產(chǎn)率大大提高，使夾具與機(jī)床之間的結(jié)合處越加緊密，夾具成為了機(jī)床的重要組成部分，這也是機(jī)械加工單重不可缺少的設(shè)備工藝。由于氣動(dòng)夾具的操作較為方面，其勞動(dòng)強(qiáng)度也大幅度下降；機(jī)械的啟動(dòng)反應(yīng)速度較快，減少許多設(shè)備輔助時(shí)間，使生產(chǎn)效率得到提高。所以，氣動(dòng)夾具容易實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)化操作。氣動(dòng)夾具多適用于高精度機(jī)床的精密加工及各種現(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機(jī)床夾具[1]。

2 總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)機(jī)床加工中實(shí)際調(diào)研和采集相應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在對(duì)金屬切削加工、金屬切削機(jī)床、機(jī)床機(jī)械設(shè)備離你那對(duì)以及液壓的啟動(dòng)傳動(dòng)相關(guān)知識(shí)要全面掌握，并分析計(jì)算出金屬切屑加工過(guò)程機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)、工作夾等方面的數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)械液壓氣動(dòng)傳動(dòng)知識(shí)，合理設(shè)計(jì)氣壓傳動(dòng)方案并擬定氣壓原理圖，完成驅(qū)動(dòng)裝置、夾緊裝置的設(shè)計(jì)，來(lái)完成啟動(dòng)元件的設(shè)計(jì)，并選擇傳動(dòng)系統(tǒng)的驗(yàn)算，從而達(dá)到氣動(dòng)夾具最為優(yōu)秀的設(shè)計(jì)[2]。如圖1所示是一普通車床夾具。

氣動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)，氣壓傳動(dòng)元件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，而氣缸是以壓縮空氣為動(dòng)力使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本夾具采用氣壓驅(qū)動(dòng)，使用的是壓力為0.5MPa，最高可達(dá)1 Mpa。這個(gè)氣動(dòng)夾具具有二個(gè)夾取和卸料運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，用于將待加工物料夾取到機(jī)床夾具卡盤(pán)上，并將加工完成的工件自動(dòng)卸料。夾具的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)夾具在工作中能實(shí)現(xiàn)夾緊、松開(kāi)、正反旋轉(zhuǎn)180°功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手爪夾具。氣缸A、B分別完成A爪手、B爪手的夾緊、松開(kāi)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)擺動(dòng)氣缸、使軸向止推軸承帶動(dòng)A、B爪手正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)工作行程為0°～180°。夾具夾持部是通過(guò)氣缸、彈簧的作用來(lái)夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來(lái)調(diào)整[3]。氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

3 氣壓傳動(dòng)技術(shù)

氣壓的傳動(dòng)方式主要以壓縮空氣為主要工作原理，并利用此原理來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞控制，這主要包括控制技術(shù)和傳動(dòng)技術(shù)兩方面。氣壓傳動(dòng)主要由氣源、氣動(dòng)執(zhí)行元件、氣動(dòng)控制閥和氣動(dòng)輔件組成。氣動(dòng)執(zhí)行元件主要包括氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)，就是把壓縮機(jī)提供壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)工作零件。氣動(dòng)控制閥主要有壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別用來(lái)調(diào)節(jié)氣流的壓力、方向和流量。氣動(dòng)輔件由分水濾氣器、油霧器、消聲器、聯(lián)接件等，分別用來(lái)凈化空氣、改善空氣潤(rùn)滑性、消音降噪、聯(lián)接管子[4]。

4 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成

4.1 氣源裝置及輔件

氣源裝置由空壓機(jī)、凈化存儲(chǔ)設(shè)備、氣動(dòng)三聯(lián)件組成。輔件主要有自動(dòng)排水器、消聲器、緩沖器等，輔件可以完成向氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)輸送潔凈的壓縮空氣。

4.2 執(zhí)行元件

執(zhí)行元件得作用就是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，氣缸作為氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，輸入流量和壓力，輸出力和速度，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

4.3 控制元件

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中一般采用電磁閥雙向換接，可以實(shí)現(xiàn)換向簡(jiǎn)單，氣體回路簡(jiǎn)單，便于統(tǒng)一安裝，由于氣缸垂直安裝，并采用進(jìn)氣節(jié)流，提高了缸內(nèi)的緩沖結(jié)構(gòu)的換向平穩(wěn)性。

4.4 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)能夠在高溫、腐蝕、易燃、易爆、強(qiáng)磁、輻射、震動(dòng)、多灰塵等極其惡劣的環(huán)境下安全、可靠地工作，強(qiáng)電電路與繼電器、弱電電路與單片機(jī)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)床加工生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。目前，越來(lái)越多的機(jī)械加工設(shè)備都由氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制和驅(qū)動(dòng)，所以其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。同時(shí)，壓縮空氣的可壓縮性大、粘性較小，柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)易于構(gòu)造，傳動(dòng)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和新型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥的開(kāi)發(fā)利用，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能和精度得到了顯著提高。本氣動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)于氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求不是很高，所以采用了具有“雙穩(wěn)”邏輯功能的二位五通換向閥雙作用氣缸的換向回路。如圖3所示。

利用單片機(jī)連接電磁閥，通過(guò)控制電磁閥的吸合來(lái)控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的開(kāi)閥或關(guān)閥動(dòng)作。兩位五通電磁閥，兩位指的是兩個(gè)工作位置，五口是指一個(gè)進(jìn)氣口，兩個(gè)排氣口，兩個(gè)工作口。當(dāng)按下4時(shí)，兩位五通換向閥2的左腔輸入控制氣壓信號(hào)，左位處于工作狀態(tài)，雙作用氣壓缸活塞桿將向外伸出；當(dāng)松開(kāi)4時(shí)，兩位五通換向閥2的左腔沒(méi)有控制氣壓信號(hào)，同時(shí)按下5，兩位五通換向閥2右位處于工作狀態(tài)，雙作用氣壓缸活塞桿將快退。所以，該換向回路具有“雙穩(wěn)”的邏輯功能。

5 工件在夾具中的定位

工件定位采用六點(diǎn)規(guī)則原理，六個(gè)支撐點(diǎn)合理分布，限制工件的六個(gè)自由度，以保證工件在夾具中的位置。在實(shí)際生產(chǎn)，具有一定形狀的幾何體起支承點(diǎn)作用，工件的自由度由定位元件來(lái)限制。限制工件自由度與工件加工要求的主要關(guān)系，如圖4所示。當(dāng)工件被定位時(shí)，如果加工要求受到影響，自由度必須受到限制。如果加工要求的自由度不受影響，則根據(jù)加工情況，可以限制也可以不限制。工件的六自由度完全受限，定位為完全定位，如能保證加工要求，而小于六個(gè)自由度被限制的工件的定位就是不完全定位。因此，在特殊情況下，工件定位時(shí)，還可以采用不完全定位的方法，如：加工時(shí)通過(guò)孔或槽，沿穿過(guò)軸線的自由位置不受限制：當(dāng)毛坯為軸對(duì)稱時(shí)，其繞對(duì)稱軸的自由度不受限制。在加工穿透面時(shí)，除了沿兩個(gè)穿透軸的位置自由外，垂直加工面繞軸的角度自由度不受限制。

6 其它元件的選擇和設(shè)計(jì)

夾具主要是設(shè)計(jì)工件的定位和夾緊，但還要設(shè)計(jì)夾具在機(jī)床上的定位，以及夾具體的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。通常夾具體采用焊接結(jié)構(gòu)，并用兩個(gè)肋板提高夾具體的剛度，其結(jié)構(gòu)緊湊、制造周期短。夾具體主要由盤(pán)、板和套等組成。在夾具體上設(shè)置一個(gè)校正套，以便心軸使夾具與機(jī)床主軸對(duì)定。夾具采用不帶止口的過(guò)渡盤(pán)，所以通用性好。

7 總結(jié)

本夾具設(shè)計(jì)中其執(zhí)行結(jié)構(gòu)需要使用旋轉(zhuǎn)氣缸，來(lái)滿足氣動(dòng)夾具的性能要求。對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)各模塊來(lái)選擇合適的氣動(dòng)元件，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械導(dǎo)向裝置。根據(jù)工作條件變化的需求，來(lái)增減或更換相應(yīng)的模塊。金屬切削機(jī)床的夾具三維建模的需要，機(jī)床驅(qū)動(dòng)，工件夾緊和其他問(wèn)題，氣動(dòng)夾具必須提高效率的設(shè)計(jì)，快速夾緊裝置，從而實(shí)現(xiàn)金屬加工機(jī)床的半自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)，工件夾緊。