側(cè)面夾緊型液壓夾具的設(shè)計(jì)

□ 盧紅印

無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司 江蘇無錫 214161

1 設(shè)計(jì)背景

機(jī)械加工中,夾具的使用越來越普及。非標(biāo)液壓夾具能極大地提高加工質(zhì)量和加工效率,從而提高產(chǎn)品競爭力。在為某些工件設(shè)計(jì)配套的液壓夾具時(shí),因其加工工藝的要求,以及機(jī)床設(shè)備的限制,使得夾具不能完全發(fā)揮其潛在功能,進(jìn)而影響了產(chǎn)品的加工質(zhì)量。而對夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),對夾具的機(jī)械方案和液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

在很多情況下,由于工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,工件上沒有合適的供夾具使用的夾緊位置,尤其是加工工件的大面時(shí)。采用側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)時(shí),夾緊機(jī)構(gòu)避讓了刀具運(yùn)動軌跡,這樣就可以采用覆蓋整個(gè)工件大面的大刀盤刀具來加工,一次性將整個(gè)大面加工完成,避免了大面上的加工接刀紋,提高了加工質(zhì)量。另外,側(cè)面夾緊時(shí),夾具的上、左夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力方向垂直于工件主支承面的法向,這就會導(dǎo)致在夾緊工件時(shí),有可能出現(xiàn)工件脫離主支承面的情況,導(dǎo)致工件與主支承面虛假接觸,加工過程中的切削力無法實(shí)時(shí)傳遞到主支承上,造成工件加工中的振顫,影響加工表面質(zhì)量。又由于工件脫離主支承面,導(dǎo)致定位誤差,使得加工尺寸精度受到影響。在機(jī)床可以提供多路液壓回路供夾具使用的情況下,可以通過增加預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)來消除工件的定位誤差。而在機(jī)床只能提供單路液壓回路,甚至不能提供液壓回路時(shí),常規(guī)的增加預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)的方案將無法進(jìn)行對應(yīng)的液壓控制。

對此,筆者設(shè)計(jì)了側(cè)面夾緊型液壓夾具。

2 夾具機(jī)械方案

在工件上料后,預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)首先夾緊在工件的大面上,防止工件傾覆,并消除工件的主限位面與夾具的主定位面之間的間隙,防止后續(xù)的定位誤差。之后,夾具對工件進(jìn)行定位壓緊,在輔助支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動到位后,預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)撤離工件大面,避讓刀具加工路徑。機(jī)床開始加工工件,夾具之間各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的順序運(yùn)動,通過設(shè)置順序閥可以實(shí)現(xiàn)。但對于同一個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu),無法通過順序閥實(shí)現(xiàn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的反向運(yùn)動。而預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)對于工件穩(wěn)定的加工質(zhì)量至關(guān)重要。因此,需要設(shè)計(jì)新型液壓控制回路,來滿足單液壓回路對夾具的動作控制要求。

在機(jī)械設(shè)計(jì)方面,采取兩個(gè)措施來提高工件的加工質(zhì)量。

為防止側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)夾緊后,工件主限位面與夾具主定位面之間的虛接觸,保證工件主限位面與夾具主定位面的可靠貼合,側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)采用斜楔夾緊機(jī)構(gòu)。斜楔夾緊機(jī)構(gòu)作斜向運(yùn)動,使斜楔夾緊機(jī)構(gòu)既有垂直于工件側(cè)面的正向分力,又有相切于工件側(cè)面的切向分力。切向分力促使工件的主限位面貼緊夾具的主支承面,保證了良好的接觸剛性。

為進(jìn)一步提高工件的剛性,防止加工中工件在切削力作用下的變形,在夾具上還設(shè)置了多個(gè)輔助支撐機(jī)構(gòu)。輔助支撐機(jī)構(gòu)的支撐柱塞由內(nèi)部活塞桿間接驅(qū)動,通過彈簧力來接觸工件。在接觸工件后,液壓力將支撐柱塞抱緊,液壓抱緊力用于抵抗加工過程中垂直于工件大面的切削力。夾具機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,加工順序如圖2所示。

▲圖1 夾具機(jī)械結(jié)構(gòu)

▲圖2 加工順序

3 液壓控制系統(tǒng)

在液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,當(dāng)要壓緊工件時(shí),液壓系統(tǒng)向A口供油,B口回油;當(dāng)要松開工件時(shí),液壓系統(tǒng)向B口供油,A口回油。為實(shí)現(xiàn)對預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)的反向控制,決定在夾具液壓回路內(nèi)引入換向閥。在換向閥選用方面,若采用機(jī)控?fù)Q向閥,則需要設(shè)計(jì)與側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)聯(lián)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu),在側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)夾緊到位后,觸發(fā)換向閥換向。由于工件外形差異,此種措施調(diào)試?yán)щy,易出現(xiàn)側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)夾緊到位后沒有觸發(fā)換向閥的情況,或者側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)尚未夾緊,換向閥即被觸發(fā),預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)撤離工件,導(dǎo)致工件跌落或者工件的主限位面脫離夾具主定位面的情況。因此,決定采用液控?fù)Q向閥。在輔助支撐機(jī)構(gòu)液壓控制回路的下游設(shè)置順序閥,在輔助支撐機(jī)構(gòu)動作到位后,打開順序閥,壓力油進(jìn)入換向閥的控制口,驅(qū)使換向閥換向,之后機(jī)床開始加工。為防止在加工過程中因意外掉壓,使預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)在重力或外力擾動下進(jìn)入加工區(qū)域而導(dǎo)致的撞機(jī)事故,在預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊回路上設(shè)置了液控單向閥。在加工結(jié)束后,通過人工或者機(jī)械手將工件取出,此時(shí),機(jī)床工作臺的液壓回路換向,工作臺上B口向夾具內(nèi)部供油,B口的壓力油將通向液控?fù)Q向閥的R口。對于錐閥式液控?fù)Q向閥,R口為回油口,不能通入壓力油,否則會導(dǎo)致液控?fù)Q向閥功能紊亂。因此,在機(jī)床油路的B口與液控?fù)Q向閥的R口之間,設(shè)置液控單向閥。由于液控單向閥阻止油液進(jìn)入預(yù)夾緊機(jī)構(gòu),預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)在液控單向閥的作用下,仍保持打開狀態(tài)。工件可以從夾具上被取出。通過上述設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)在側(cè)面夾緊機(jī)構(gòu)動作到位后的反向打開,由此實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。新設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

▲圖3 液壓控制系統(tǒng)原理

在增加部分輔助液壓元件后,液壓控制系統(tǒng)還適用于油源分離式保壓夾具的控制。為適應(yīng)油源分離式保壓夾具的控制,需要增加快插接頭、液控單向閥、蓄能器、壓力表等元器件。油源分離式保壓夾具的液壓控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

▲圖4 油源分離式保壓夾具液壓控制系統(tǒng)原理

快插接頭用于快速分離和對接,提高操作效率。液控單向閥用于夾具與油源分離后夾具內(nèi)部液壓系統(tǒng)的保壓。壓力表作為液壓系統(tǒng)的指示窗口,用于實(shí)時(shí)顯示夾具內(nèi)部夾緊油路的壓力。蓄能器用于補(bǔ)充加工過程中因內(nèi)泄、外泄導(dǎo)致的壓力損失,緩和油液溫度變化帶來的壓力變化,抑制系統(tǒng)內(nèi)壓力的波動,保證加工過程中夾具液壓系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的夾具液壓控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu),機(jī)床或外部液壓站僅需要提供一進(jìn)一回的液壓配置,即可實(shí)現(xiàn)用多進(jìn)多回的液壓配置才能實(shí)現(xiàn)的控制功能,既擴(kuò)展了機(jī)床的使用范圍,又提高了工件的加工質(zhì)量。同時(shí),這一夾具也可與機(jī)械手配合,實(shí)現(xiàn)全自動化的生產(chǎn)加工。