大板材類制件銑面加工裝夾方法的研究

張?zhí)飿s，曹宏偉

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 741001）

0 引言

機(jī)械加工中工裝夾具是用來迅速緊固制件，使機(jī)床、刀具、工件三者保持正確相對(duì)位置的工藝裝置，是機(jī)械加工中不可缺少的部件。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的深入，制造行業(yè)的競爭日益激烈，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期縮短，更新?lián)Q代加速，傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)被單件、中小批量生產(chǎn)模式取代，為適應(yīng)這種變化，機(jī)械制造裝備必須具備較高的柔性，夾具的快速設(shè)計(jì)和制造，是機(jī)械制造裝備柔性化的重點(diǎn)。在金屬切削加工中，夾具的設(shè)計(jì)取決于被加工件，它直接影響著工件的加工精度、生產(chǎn)率和產(chǎn)品的制造成本等[1]。

1 傳統(tǒng)裝夾方法

在機(jī)械加工行業(yè)的日常生產(chǎn)中，難免會(huì)遇到較大或超大尺寸的板材類制件的加工（圖1）。大板類材料的加工，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，大多數(shù)都選擇在行程較大的數(shù)控機(jī)床或龍門加工中心上進(jìn)行，若對(duì)板材的表面進(jìn)行加工或?qū)Π宀暮穸扔袊?yán)格的尺寸公差、形位公差要求時(shí)，必須要對(duì)來料的表面進(jìn)行銑削加工，此時(shí)會(huì)遇到裝夾困難。通過對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如大尺寸的鋁板、鋼板、不銹鋼板及鑄鐵板等的加工，傳統(tǒng)裝夾采用壓板將大板材料壓緊在工作臺(tái)上實(shí)施加工（圖2）。

傳統(tǒng)裝夾方法下的銑削加工，采用先繞開圖2 第1 次裝夾壓板，對(duì)制件的表面進(jìn)行加工，然后倒換壓板到圖2 第2 次裝夾的位置，再來加工第1 次裝夾壓板壓過的部分。采用這樣的裝夾方法加工，存在一定的弊端：①編程人員編制刀具路徑時(shí)得繞開壓板位置，刀具路徑非常復(fù)雜，由于不確定壓板壓緊位置，必須給操作人員提供工藝文件；②如果一款大板材類制件同時(shí)有厚度尺寸和形位公差（平面度、直線度）的要求，這種倒換壓板的多次裝夾方法下，工件容易產(chǎn)生變形，并會(huì)出現(xiàn)兩次加工的接刀痕跡，難以同時(shí)保證尺寸和形位公差要求；③無論是操作者還是編程人員，兩次倒換壓板壓緊位置，增加了停機(jī)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，延長了工件的加工周期，會(huì)影響生產(chǎn)效率。

圖1 大板材零件

圖2 傳統(tǒng)壓緊式裝夾

2 新型特制夾具

特制夾具是在機(jī)床夾具元件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型夾具。它是由預(yù)先制造好的標(biāo)準(zhǔn)化夾具元件，根據(jù)被加工件的工序要求組合而成的，具有元件使用通用性和夾具功能專用性的雙重性質(zhì)。近年來，隨著組合夾具組裝設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，組合夾具元件系統(tǒng)的不斷完善，新型組合夾具的出現(xiàn)及組合夾具生產(chǎn)和管理模式的改變，組合夾具的結(jié)構(gòu)、精度、剛性等質(zhì)量性能和實(shí)踐使用性能均達(dá)到了專用夾具的功能標(biāo)準(zhǔn)（圖3）[2]。

2.1 定位塊

根據(jù)被加工板材類制件的需要用鋁合金材料制作，一般做成邊長為50～60 mm 的立方體塊，中心做可固定定位塊的沉頭孔。鋁合金材料的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)定位塊表面有碰傷或在安裝過程中左右兩塊不在同一個(gè)平面時(shí)，可以用立銑刀將兩個(gè)定位塊的表面用走直線的方法進(jìn)行銑削，能夠保證兩個(gè)定位塊在同一個(gè)平面上的直線度和平面度要求，避免用百分表或千分表打表找正的繁瑣過程，提高了夾具的安裝效率。

2.2 斜楔擠塊

用45#鋼材制作成如圖模型，大、小斜楔擠塊2 個(gè)銳角為60°和30°，制作完成后進(jìn)行淬火處理，再對(duì)大、小斜楔擠塊相接觸的斜面進(jìn)行磨削，保證表面光滑平整，有利于斜楔擠塊擠壓力有效傳遞給工件。

圖3 新型特制夾具

2.3 標(biāo)準(zhǔn)沉頭螺釘

根據(jù)需要的長度和工作臺(tái)螺紋孔的大小購買適合的M12或M16 標(biāo)準(zhǔn)沉頭螺釘。

2.4 30～50 mm 厚的多孔工作臺(tái)

常用材料為7075 航空鋁，對(duì)其上下表面進(jìn)行精加工。上表面加工出等距的M12 或M16 螺紋孔并攻絲，在四角和中心做沉頭孔，用于固定在原始的機(jī)床工作臺(tái)上。其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）保護(hù)原始工作臺(tái)。原始工作臺(tái)是機(jī)床制造廠家生產(chǎn)的精密裝夾平臺(tái)，在生產(chǎn)中難免會(huì)受到夾具、工件的碰撞和刀具誤銑削致使工作臺(tái)受損。若多孔軟工作臺(tái)在生產(chǎn)中受損，可以用Φ125～Φ160 的面銑刀對(duì)表面精加工，易切削且有較大的加工余量。

（2）等距的螺紋孔。在任意位置都可以安裝夾具和工件，可長期使用。原始工作臺(tái)只有固定的T 形槽，有時(shí)在需要裝夾夾具的位置找不到定位螺紋孔。多孔軟工作臺(tái)彌補(bǔ)了原始工作臺(tái)只能局限于數(shù)量有限、位置固定的T 形槽固定螺栓的缺陷，便于工件裝夾，提高了裝夾效率。

（3）多工位加工。使用多孔軟工作臺(tái)，對(duì)在同一塊大板材料上加工若干個(gè)形狀相同或?qū)ΨQ的造型時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多工位加工，有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

3 精密定位裝夾方法

組合夾具是工藝裝備的一部分，是由一系列標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的元件，根據(jù)產(chǎn)品加工要求組裝而成的夾具，可以理解成高度標(biāo)準(zhǔn)化的專用夾具[3]。其元件可以循環(huán)應(yīng)用，夾具能夠?qū)崿F(xiàn)快速組裝、更換調(diào)整，能夠縮短60%以上的生產(chǎn)周期，節(jié)省大約80%以上的原材料[4]。因此，在原有組合夾具技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)、創(chuàng)新，深入挖掘柔性組合夾具高效、快捷的潛在功效。

機(jī)床夾具的柔性化與機(jī)床的柔性化相似，它是指機(jī)床夾具通過調(diào)整、組合等方式，以適應(yīng)工藝可變因素的能力[5]。大板材類零件，絕大部分材料來料為型材或鑄件，存在較大的加工余量和表面待加工要求，為了避免在同一個(gè)平面上多次裝夾造成零件質(zhì)量缺陷和減少不必要的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)滿足尺寸要求和形位公差要求，使機(jī)床利用率最大化，提高生產(chǎn)效率，將通用夾具和特制夾具有效的結(jié)合組裝，形成特制的夾具組合體。在行程較大的數(shù)控銑床或龍門加工中心機(jī)床上用面銑刀對(duì)板材類零件進(jìn)行加工，可采用新型特制夾具組合精密定位裝夾的方法。高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時(shí)間和輔助時(shí)間，以提高生產(chǎn)率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而使切削速度大幅提升，尤其在加工中心上出現(xiàn)的各種新型特制夾具，充分發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢（圖4）。

圖4 精密定位裝夾方法

對(duì)大板材類制件表面加工，用新型特制夾具組合精密定位裝夾方法，選用Φ125～Φ160 的面銑刀分層、反復(fù)翻面進(jìn)行加工，最后要留精加工余量，對(duì)上下表面分別實(shí)現(xiàn)精銑加工，精加工余量可根據(jù)零件的變形量和形位公差要求決定。在工件進(jìn)行面銑精加工時(shí)，由于銑削量不大，工件受到的銑削力很小，因此斜楔擠塊的夾緊力不宜太大，避免工件受擠壓力而變形，影響加工精度。

這種裝夾方法不但可用于大板材類零件的面加工，還可加工板材內(nèi)部的其他要素輪廓加工。如果要加工其他輪廓，可在此裝夾方法的基礎(chǔ)上，在左側(cè)裝夾定位塊，右側(cè)裝夾斜楔擠塊，限制坯料左右方向的自由度，防止工件在加工工程中受銑削力而左右移動(dòng)。只有夾具在機(jī)床上找正并固定，夾具上的定位元件及壓緊機(jī)構(gòu)將工件固定后，才能通過對(duì)刀確定工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后將確定好的所有刀具位置點(diǎn)編入程序，控制刀具從一個(gè)位置點(diǎn)到另一個(gè)位置點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中完成工件的加工[6]。在加工下一個(gè)工件時(shí)就不需要再進(jìn)行對(duì)刀，只需和第一個(gè)工件一樣在夾具上定位壓緊后，就可啟動(dòng)程序進(jìn)行加工。因此，只有夾具夾緊工件并通過對(duì)刀確定其在加工中心的正確位置后，才能編制加工程序。此外，如果是厚度尺寸小于定位塊和斜楔擠塊高度的板材材料，可在定位塊和斜楔擠塊夾緊力方向，添加安裝小于板材材料厚度的平行墊鐵，避免加工中刀具與夾具的干涉。

4 結(jié)語

在制件加工過程中，通過合理的夾具設(shè)計(jì)能降低加工難度，提高加工精度和操作安全系數(shù)，同時(shí)使機(jī)床生產(chǎn)范圍得到有效擴(kuò)展。此新型特制組合夾具精密定位裝夾方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)夾具及特制夾具的有效組合，突出性優(yōu)勢在于能按照制件加工需要，選擇不同功能模塊進(jìn)行組裝，有效提高了加工精度和生產(chǎn)效率，其應(yīng)用范圍更廣，具有一定的實(shí)際應(yīng)用性和參考價(jià)值。