雙偏心孔工件的專用夾具設(shè)計(jì)

梁宇明

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525000)

在工業(yè)機(jī)械手設(shè)備加工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有一小部分的偏心件需要進(jìn)行加工。這些偏心件的材料通常為鋁合金、不銹鋼等材料，雖然它們都可以用加工中心或者數(shù)控銑床進(jìn)行加工，但是需要多次裝夾和找正，且加工效率不高。在普遍加工中心和數(shù)控銑床數(shù)量不多的中小型機(jī)加工企業(yè)，如何在任務(wù)重、交貨時(shí)間短、加工中心和數(shù)控銑床設(shè)備少的情況下完成加工任務(wù)，成為了一個(gè)難點(diǎn)。筆者接到了某校企合作加工企業(yè)的協(xié)助電話，該企業(yè)接到機(jī)械手的配件加工訂單，配件是一個(gè)雙偏心孔零件(如圖1)，雖然可以用加工中心和銑床設(shè)備加工，但是企業(yè)的兩種設(shè)備共有6臺(tái)，加工工期趕不及，希望我們能協(xié)助解決這個(gè)問(wèn)題。

1 雙偏心孔零件分析

該零件為機(jī)械手的一個(gè)轉(zhuǎn)接件，其零件圖如圖2所示，其材料為鋁合金，上、下表面各有一個(gè)偏心孔，上表面的孔徑為φ30 mm，其圓心在零件中心正左方5 mm，下表面的孔徑為φ20 mm，其圓心在零件中心正左方5 mm，下方8 mm，兩個(gè)加工孔都明顯偏離了零件的中心。

如果工件用該企業(yè)的加工中心和數(shù)控銑床設(shè)備進(jìn)行加工，由于兩個(gè)偏心孔的圓心不在同一直線上，裝夾一次不能同時(shí)加工兩個(gè)偏心孔，必須翻轉(zhuǎn)裝夾后加工，那就意味著工人必須裝夾兩次，找正兩次，且本身設(shè)備加工該工件效率不高。該企業(yè)現(xiàn)有閑置數(shù)控車床8臺(tái)，車床上的夾具為三爪卡盤，無(wú)法裝夾該矩形形狀的工件，若將夾具全部更換為四爪卡盤，雖然可以裝夾，但需要工人花大量的時(shí)間去找正，不但需要找正兩次，而且容易受到工人的找正經(jīng)驗(yàn)和操作水平的影響[1,2]。這樣的加工方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低，無(wú)法滿足加工的要求。因此，為了提高加工效率，筆者為這零件設(shè)計(jì)了專門的數(shù)控車床夾具，它具有加工效率高、加工精度好、造價(jià)低和裝夾方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 數(shù)控車床專用夾具設(shè)計(jì)

數(shù)控車床專用夾具的結(jié)構(gòu)(圖3)，由定位底盤1、定位固定塊2、3和10、M8×1.25內(nèi)六角圓柱頭螺釘9、M10×1.5內(nèi)六角圓柱頭螺釘8、墊塊6和7、平衡塊4、工件5等組成。

2.1 數(shù)控車床專用夾具的設(shè)計(jì)思路與特點(diǎn)

為了避免操作工人憑經(jīng)驗(yàn)和技能進(jìn)行校驗(yàn)，縮短把工件的偏心加工部位校正到和主軸同軸的裝夾時(shí)間，我們希望操作工人不需要經(jīng)過(guò)找正過(guò)程，直接把工件裝進(jìn)夾具后，就可以滿足加工的要求。因此，需要將偏心孔的中心與主軸同軸。但是由于零件上下表面各有一個(gè)圓心相互不重合的偏心孔，所以，當(dāng)設(shè)計(jì)夾具裝夾上表面的偏心孔與主軸同軸，加工完成上表面的偏心孔后，需要翻轉(zhuǎn)裝夾，而此時(shí)，下表面的偏心孔又不與主軸同軸了，這就需要利用墊片進(jìn)行調(diào)整。

整套夾具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有3個(gè)突出特點(diǎn)：

(1)定位底盤的定位

如圖4所示，定位底盤的A軸線與B端面相互垂直，并在加工過(guò)程中有垂直度公差嚴(yán)格保證其垂直度，使定位底盤被三爪卡盤夾緊后，保證定位底盤與主軸的垂直關(guān)系，方便工件在夾具上的快速裝夾定位[4]。

(2)4條高精度的定位固定塊的作用

利用4條高精度的定位固定塊進(jìn)行組合定位，取代常用的挖槽式定位夾具，節(jié)約夾具的材料和成本，還對(duì)未來(lái)其他不同尺寸偏心件的夾具進(jìn)行升級(jí)改造提供了硬件條件，具有可拓展性和柔性。

(3)高精度墊片的作用

薄墊片的作用主要用于防止螺釘夾緊工件時(shí)，損壞工件表面。厚墊片除了可以防止損壞工件表面外，還有輔助定位的作用。即當(dāng)加工上表面φ30 mm的偏心孔時(shí)，下方的M10螺釘通過(guò)厚墊片壓緊工件，工件以定位固定塊的左上角定位，使φ30 mm偏心孔的圓心與主軸同軸(圖5)；當(dāng)加工下表面φ20 mm的偏心孔時(shí)，操作工人將工件翻轉(zhuǎn)，把厚墊片從在工件下方移到工件上方，通過(guò)上方的M10螺釘壓緊工件，工件以定位固定塊的左下角定位，使φ20 mm偏心孔的圓心與主軸同軸(圖6)。這樣可以使操作工人免除了找正的過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。為了方便工人移動(dòng)和安裝厚墊塊，將厚墊塊厚度做成6 ～8 mm，且做了拉手，方便取出(圖7)。

2.2 數(shù)控車床專用夾具的定位和夾緊

2.2.1 專用夾具在機(jī)床上的定位和夾緊(圖8)

組合夾具在數(shù)控車床上定位是用定位底盤的外圓柱面1和內(nèi)端面2做定位面，分別以車床三爪卡盤的卡爪的內(nèi)圓柱面和外端面作定位元件，組成短軸大平面組合來(lái)實(shí)現(xiàn)定位[5]。由于定位底盤的外圓柱面1和內(nèi)端面2在底盤加工過(guò)程已經(jīng)確保了垂直度，因此可以選它們作為整個(gè)夾具的機(jī)床主軸的定位基準(zhǔn)面。

2.2.2 定位固定塊在夾具上的定位(圖9)

定位固定塊在夾具上的定位采用一面兩圓臺(tái)的定位方法，一面是指定位固定塊的底平面，兩圓臺(tái)是指定位固定塊與定位底盤相配合的圓凸臺(tái)。這一面兩圓臺(tái)使用M8的螺釘將定位底盤與定位固定塊夾緊，消除了6個(gè)自由度，達(dá)到完全定位。

2.2.3 雙偏心工件在組合夾具上的定位

該工件在組合夾具上的定位采用3個(gè)平面為定位面的定位方法。3個(gè)平面是指工件的上側(cè)面、左側(cè)面和下底面。由于工件本身帶有三面垂直度的要求，因此，工件在夾具上的定位精度較高。這3個(gè)定位面消除了6個(gè)自由度，達(dá)到了完全定位的要求。而6顆M10的螺釘保證了工件在夾具上的夾緊。

2.3 平衡塊的設(shè)計(jì)

由于定位固定塊、工件和螺釘?shù)炔⒉皇峭耆珜?duì)稱分布在定位底盤上的。因此，組合夾具的質(zhì)心并不是處在主軸軸線的位置，組合夾具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生離心力，降低工件的加工精度。通過(guò)UG進(jìn)行建模，可以發(fā)現(xiàn)組合夾具裝夾工件后，質(zhì)心并不在主軸軸線上(圖10)。由圖可知，質(zhì)心坐標(biāo)點(diǎn)為(2.534 4，-1.794 4，-1.776 9)。因此，考慮加配平衡塊，利用平衡塊來(lái)平衡組合夾具，使夾具的質(zhì)心與主軸的軸線共線。

由于加裝在組合夾具上面的工件總厚度遠(yuǎn)小于組合夾具定位底盤的直徑，可以把它看作一盤狀件，只考慮靜平衡。從圖10可以得知，加工上表面的φ30 mm偏心孔時(shí)，質(zhì)心在主軸軸線的右下方，根據(jù)力平衡原理，考慮將平衡塊添加到定位底盤左上角進(jìn)行平衡。

因此，為了保證旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在底盤左上角加裝了一平衡塊。為了使平衡塊不伸出底盤外，同時(shí)預(yù)留平衡塊與定位固定塊的間距，不與定位固定塊發(fā)生干涉。初步使平衡塊質(zhì)心處于半徑r=80 mm的定位圓上，即質(zhì)心半徑為80 mm。

根據(jù)靜力平衡原理，可知：m平gr=m夾gR(m平是平衡塊的質(zhì)量，r是平衡塊質(zhì)心半徑，m夾是夾具和工件質(zhì)量之和，R是夾具和工件的質(zhì)心半徑)，即m平r=m夾R。

由圖10可知，m夾=5.989 5 kg，質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)平面坐標(biāo)(2.534 4，-1.794 4)，故：

18.599 3/80=0.232 5 kg

工件的孔中心要與夾具的中心重合，因此夾具重心偏右下方，延長(zhǎng)夾具中心到夾具右下方的夾角的連線，與半徑r=77.497 1 mm的圓相交，其坐標(biāo)為(-54.036 0，55.550 9)。在交點(diǎn)坐標(biāo)附近取5個(gè)坐標(biāo)，對(duì)6個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，坐標(biāo)為(-49.049 0，60)，(-54.036 0，55.550 9)，(-59.209 8，50)(-63.093 5，45)，(-66.376 2，40)，(-69.143 3，35)，都符合X2+Y2=r2的關(guān)系(如圖11所示)。通過(guò)UG建模，發(fā)現(xiàn)在定位底盤上坐標(biāo)為(-66.376 2，40)的地方加了平衡塊后，組合夾具的質(zhì)心最接近主軸軸線。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)和仿真后，最終坐標(biāo)為(-66.38，40.23)。在加工上表面和下表面的偏心孔時(shí)，組合夾具質(zhì)心與主軸的3個(gè)坐標(biāo)誤差都在0.5以內(nèi)，與主軸軸線基本重合，效果如圖12、13。

根據(jù)力的靜平衡原理，加了平衡塊后的組合夾具在旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力已基本得到平衡，可以對(duì)工件進(jìn)行加工。

3 組合夾具的制作工藝要求

定位底盤、定位固定塊這兩個(gè)主要定位元件的加工精度必須予以保證，定位固定塊上的圓凸臺(tái)與圓孔的同軸度、圓凸臺(tái)與定位底盤定位孔的過(guò)渡配合都要符合零件圖要求，以及定位孔的尺寸精度要達(dá)到IT7及表面粗糙度Ra1.6 μm以下。因此，盡量采用加工中心設(shè)備來(lái)進(jìn)行定位孔、鉆孔和鉸孔的加工，以保證定位元件的定位精度。只有這些定位元件的加工精度符合設(shè)計(jì)要求，組合夾具才能快速準(zhǔn)確地幫助我們加工出高質(zhì)量的零件。

4 驗(yàn)證

筆者將這個(gè)數(shù)控車床組合夾具裝到單位的980TD系統(tǒng)的廣州數(shù)控車床上，對(duì)雙偏心孔零件進(jìn)行試切。加工產(chǎn)品的兩圓孔的位置誤差均小于±0.08 mm，在產(chǎn)品零件圖要求的±0.1 mm公差的范圍內(nèi)，符合加工精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，采用這個(gè)數(shù)控車床專用組合夾具對(duì)雙偏心孔零件進(jìn)行加工，可以大大減少操作工人裝夾工件的時(shí)間，免除了對(duì)工件找正操作，縮短了操作時(shí)間，避免因工人的找正水平影響零件加工精度，并減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了加工效率。該組合夾具還有良好的拓展性和改造性，為未來(lái)不同尺寸偏心件的夾具改造提供了硬件條件。它能充分利用數(shù)控車床高速加工的特點(diǎn)，為各中小企業(yè)提高機(jī)床設(shè)備的利用率，為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。