加工中心國(guó)產(chǎn)化液壓夾具設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)淺析

沈云嘯 黃雅韻 陸郁

摘要：本文主要針對(duì)國(guó)外加工中心機(jī)床的夾具改造方案進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行解析，首先需要了解國(guó)外加工中心夾具設(shè)計(jì)原理，才能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，主要需在夾具材料，硬件配合、產(chǎn)品差異、受力分析、安裝要求、成本等方面進(jìn)行對(duì)比綜合，才能使新增機(jī)型能在現(xiàn)有的加工中心機(jī)床上進(jìn)行柔性化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)化;柔性化;夾具設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0079-02

0? 引言

加工中心機(jī)床在大多數(shù)汽車(chē)企業(yè)成為生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主力加工設(shè)備。隨著我國(guó)對(duì)于汽車(chē)的排放要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)需要不斷的進(jìn)行提升，隨之而來(lái)對(duì)于加工中心機(jī)床進(jìn)行柔性化的改造，對(duì)于每個(gè)汽車(chē)企業(yè)都是極大的挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的“心臟”，而發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是汽車(chē)五大部件之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)的最核心、最關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件之一在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升過(guò)程，缸體制造也會(huì)遇到新的挑戰(zhàn)，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的柔性化制造、低成本改造，會(huì)在現(xiàn)有加工中心機(jī)床上進(jìn)行適應(yīng)性改造，本文主要針對(duì)國(guó)外加工中心機(jī)床的夾具改造方案進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的解析。

1? 夾具設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)外加工中心夾具設(shè)計(jì)

柔性加工性能良好的加工中心機(jī)床在很多企業(yè)成為主力加工設(shè)備。為了充分發(fā)揮這些先進(jìn)設(shè)備的作用，必須要有先進(jìn)的工藝裝備與之相配套，因此，設(shè)計(jì)和應(yīng)用專用的夾具就成為這類企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，國(guó)外加工中心廠家大部分實(shí)行自主設(shè)計(jì)+外包加工夾具，或設(shè)計(jì)及加工夾具同時(shí)外包。本文主要討論的是四軸加工中心，夾具與加工中心機(jī)床主要靠B軸或者A軸的對(duì)應(yīng)的油路/氣路連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具上的液壓缸，氣檢塊等進(jìn)行監(jiān)控。夾具設(shè)計(jì)一般分成兩類：裝配式與焊接式。加工中心原廠設(shè)計(jì)使用的是焊接式夾具，則后期改造一般需要整體更換;如設(shè)計(jì)使用的的裝配式夾具，則后期根據(jù)工藝排布，可只改造部分結(jié)構(gòu)無(wú)需整體更換。設(shè)備的柔性則體現(xiàn)于此。那么國(guó)產(chǎn)設(shè)計(jì)及制造的夾具如何實(shí)現(xiàn)與國(guó)外加工中心進(jìn)行裝配，并能保證加工精度，設(shè)備加工能力的關(guān)鍵技術(shù)以下將詳細(xì)說(shuō)明。

1.2 國(guó)產(chǎn)化夾具設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)化的夾具需要與國(guó)外機(jī)床能夠完成配合，需要保證以下幾點(diǎn)關(guān)鍵參數(shù)：

①材料：與B軸接觸的夾具底板需使用與原夾具相同材料;需要確認(rèn)原設(shè)計(jì)的油路壓力、氣路壓力，保證國(guó)產(chǎn)化的夾具油路/氣路設(shè)計(jì)的最小壁厚，確保不泄露;

②定位：定位銷設(shè)計(jì)需要有內(nèi)部氣路，實(shí)現(xiàn)斷銷檢測(cè);單個(gè)定位面設(shè)計(jì)的面積需要保證在10mm*10mm以內(nèi)，并且相鄰兩個(gè)定位面的高度差需控制在±0.02mm;需要有工件預(yù)定位裝置，避免使用零件的鑄造面進(jìn)行預(yù)定位，容易產(chǎn)生過(guò)定位的問(wèn)題;

③夾緊：國(guó)產(chǎn)夾具的夾緊力驅(qū)動(dòng)方式仍需使用液壓夾緊;夾緊頭需使用螺栓安裝在氣缸桿上，實(shí)現(xiàn)快速更換，提升夾具的柔性;根據(jù)改造新增機(jī)型的材料、切深、硬度等需要計(jì)算出切削力大小，并決定油缸的選型。

切削力是指在切削過(guò)程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的力。切削力可以分解為：切削力（主切削力Fc）、背向力（切深抗力Fp）和進(jìn)給力（進(jìn)給抗力Ff）[3]。

以粗加工OP40的夾具為例，夾具如圖1所示。

該工序主要為粗銑端面，刀具材料為硬質(zhì)合金，切削力計(jì)算如下：

所選刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)：？酌0=5～8°，？琢0=6～8°，？茁=-5～20°，D=125mm，fz =0.2mm，ap=2.5mm，Z=18，B=100 mm，Cp=294，HBS=210。

將數(shù)值帶入公式得：

切削力Fc=1559.1N，進(jìn)給力 Ff=1403.19N，背向力Fp=857.51N

根據(jù)工件切削過(guò)程受力情況，找出在加工過(guò)程中與夾緊力對(duì)抗較大的瞬間狀態(tài)，同時(shí)需要考慮乘以安全系數(shù)K作為實(shí)際所需夾緊力Wk的數(shù)值，即：

計(jì)算結(jié)果如下：

對(duì)于新設(shè)計(jì)的夾具油缸夾緊力計(jì)算如下，夾緊力是由單桿活塞液壓夾緊是產(chǎn)生的：

式中：p1=6MPa，p2=0MPa，D=70mm，d=56mm;

液壓缸的夾緊力F=8318.44N，實(shí)際夾緊力遠(yuǎn)大于通過(guò)切削力計(jì)算的夾緊力，夾具工裝可靠性高。

④離線耐久驗(yàn)證：夾具設(shè)計(jì)完成后需要單獨(dú)供應(yīng)液壓站和氣動(dòng)站，進(jìn)行離線24小時(shí)的保壓測(cè)試，此測(cè)試為了提前發(fā)現(xiàn)油路或氣路竄漏問(wèn)題;400次夾緊松開(kāi)零件測(cè)試，此測(cè)試為了檢測(cè)夾具的干涉問(wèn)題與夾具選材裝配耐久性。

其他：夾具需設(shè)計(jì)沖洗加工碎屑的液路，并且?jiàn)A具需要有排碎屑設(shè)計(jì)。

2? 夾具實(shí)施方案

2.1 焊接式夾具改造方案

改造新增機(jī)型與原機(jī)型的定位一致，但是夾緊點(diǎn)不同，則需要改造夾具的頂板，頂板的油缸布置夾緊點(diǎn)分布或者是增加輔助夾緊點(diǎn)，均可通過(guò)更換頂板實(shí)現(xiàn)，如果是新增機(jī)型與原機(jī)型高度有差異，可以通過(guò)更換長(zhǎng)行程的油缸解決，但是整個(gè)夾具設(shè)計(jì)的高度需要考慮與機(jī)床頂部空間是否有干涉。

2.2 裝配式夾具改造方案

2.2.1 A軸加工中心夾具整體改造關(guān)鍵技術(shù)

如改造新增機(jī)型與原機(jī)型的定位不一致，或者夾緊點(diǎn)位置不同，則需要整體更換夾具，新夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是重新排布定位塊的位置，夾具的中心位置需根據(jù)加工特征及原機(jī)床的各軸行程對(duì)比，如Y軸負(fù)方向無(wú)法完成加工，則夾具中心點(diǎn)需要往Y軸的正方向移動(dòng)相應(yīng)的距離。

2.2.2 B軸加工中心夾具整體改造關(guān)鍵技術(shù)

如改造新增機(jī)型與原機(jī)型的夾緊點(diǎn)位置不同，則可以考慮更換夾緊夾頭設(shè)計(jì)，但是如果外形特征變大，工件與夾緊頭有干涉，則需要整體更換夾具，盡可能使用快換式夾緊頭推動(dòng)快速換型。部分夾具由于精度要求，無(wú)法達(dá)到則可以考慮將裝配夾具改成焊接夾具，對(duì)于夾具的制造來(lái)說(shuō)精度更高。

2.2.3 加工中心夾具部分改造關(guān)鍵技術(shù)

如改造新增機(jī)型與原機(jī)型的定位一致，則需考慮該工序的夾具側(cè)板是否會(huì)與刀具有干涉，如果加工有干涉可以通過(guò)三個(gè)方法進(jìn)行解決：①增加刀具長(zhǎng)度，減小刀桿直徑;②通過(guò)加工夾具有干涉部分材料，從而將解決干涉問(wèn)題，前提是加工該部分材料后夾具油路/氣路不會(huì)造成泄露;③更換該干涉的側(cè)板，并更改原油路/氣路設(shè)計(jì)，為提高成功率，油路/氣路的入口及出口處位置不變，只更改油路/氣路在側(cè)板內(nèi)部的加工位置。

3? 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

①為實(shí)現(xiàn)吊裝需考慮夾具關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸及吊裝點(diǎn)。本文主要研究的是改造夾具設(shè)計(jì)，那么需要對(duì)新舊夾具進(jìn)行吊裝，所以?shī)A具需要有個(gè)專用的吊裝點(diǎn)，否則無(wú)法保證夾具的高精度。夾具的定位面需要同時(shí)設(shè)計(jì)有氣檢孔和切屑液孔，可以在工件定位前起到重新定位面的作用，減少裝夾過(guò)程中的誤報(bào)警;夾具的定位銷需要有氣路，并且進(jìn)行充氣，如果定位銷斷裂則氣壓壓力下降，說(shuō)明設(shè)備定位精度變差。②成本及效率差異。通過(guò)國(guó)產(chǎn)化夾具，成本比進(jìn)口夾具降低約50%，為了保證產(chǎn)品的長(zhǎng)期耐久性，建議可以選擇相同的原材料進(jìn)行加工，這樣成功率要高得多。焊接式夾具精度易保證，但是柔性較低，裝配式夾具首次投入成本較高，但是后續(xù)的改造成本低，改造工作量低。夾具投入建造后到廠時(shí)間比國(guó)外快1/3左右，現(xiàn)在這幾類夾具均使用有1年左右，加工的過(guò)程能力均>1.33，滿足改造前的設(shè)備要求。③問(wèn)題及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。由于新增機(jī)型與原機(jī)型加工切屑力的差異，容易造成夾緊頭等關(guān)鍵連接部件耐久性不足，出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，需要重新對(duì)夾緊頭進(jìn)行熱處理，此處對(duì)前期的受力分析要求十分精確。根據(jù)零件的工作條件，分析載荷特點(diǎn)和應(yīng)力分布情況，掌握主要損壞形式，確定應(yīng)有的力學(xué)性能指標(biāo)，并從它們之間的概略關(guān)系估算出響應(yīng)的硬度，重要零件還要關(guān)注金相組織等，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中會(huì)有零件的加工余量波動(dòng)等問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化走刀路徑達(dá)到減小負(fù)載的目的。

4? 結(jié)束語(yǔ)

由于行業(yè)的快速發(fā)展，通常加工中心機(jī)床的壽命比發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的壽命更長(zhǎng)，對(duì)加工中心的柔性化設(shè)計(jì)是未來(lái)的趨勢(shì)，為了使新增機(jī)型能在現(xiàn)有的加工中心機(jī)床上進(jìn)行柔性化生產(chǎn)，那么在加工中心選型的初期應(yīng)盡量選擇X/Y/Z軸行程大的設(shè)備。其次對(duì)于液壓夾具優(yōu)先選擇裝配式夾具，改造過(guò)程可以根據(jù)工藝的排布只針對(duì)部分夾具板進(jìn)行改造或更換，最次的使用焊接式夾具，需要整體更換液壓夾具，也要關(guān)注新夾具與加工中心的A/B軸進(jìn)行連接時(shí)的夾具板選材及加工質(zhì)量，以及油路/氣路所能承受的最大壓力，需要考慮預(yù)留2-3倍的安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李新水，趙建華，陳正祥，施兆偉，王廷猛，等.一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體粗加工的夾具設(shè)計(jì)與應(yīng)用[A].機(jī)械設(shè)計(jì)，2019.

[2]王化清.加工中心通用液壓夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[B].工裝設(shè)備，2018.

[3]唐宗軍.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.