數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計內(nèi)容與改進(jìn)分析

蔣信芳

（廣東省南方技師學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512023）

1 數(shù)控銑床工裝夾具的應(yīng)用現(xiàn)狀

夾具（fixture）是將一件或一件以上的工件精確的支撐、定位及夾緊后，以方便工作物的加工、切削工作，或者作為機(jī)件的裝配、檢驗、焊接等工作的一種裝置。夾具可以在大量生產(chǎn)的過程中，減少工時的浪費，提高生產(chǎn)效能，維持產(chǎn)品的品質(zhì)，降低不良率。雖然工裝夾具本身不具有切削作用，但能將工件很正確的定位于某一位置，并很牢固夾持于該位置上，以承受刀具切削時所施之力。工裝夾具會因工作性質(zhì)、加工機(jī)器、工件尺寸數(shù)量的不同，而有不同的設(shè)計。更因工廠設(shè)備，技術(shù)水平及制造費用的考慮，使得同一產(chǎn)品的工裝夾具設(shè)計可能有很大的差異。數(shù)控銑床是屬于多刀刃刀具，加工時所產(chǎn)生切削力也較大，所以數(shù)控銑床用的工裝夾具必須有較大的夾持力與強(qiáng)度，以抵抗較大的銑削力量。數(shù)控銑床所用的工裝夾具常加以標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)廠家制造。其主要目的是節(jié)省工具型架的制造時間。

傳統(tǒng)用于數(shù)控銑床的工裝夾具，較為常用的包含如下構(gòu)件：一是螺栓夾持構(gòu)件。螺栓是夾持構(gòu)件的最基本元件。小的夾持力可以用手旋緊螺栓，大的夾持力則用扳手或手柄旋緊螺栓。螺栓在夾持或放松工件時必須以旋緊1/4周為工作規(guī)范，方能符合迅速夾緊的原則。二是壓板夾持法。壓板是工裝夾具中既簡單且實用的基本元件，其加壓面必須加以研磨并墊以軟質(zhì)材料，以防止傷害工作物表面，為使有良好的夾持力，根據(jù)杠桿原理應(yīng)離工作物較近，可得較大夾持力；使用時應(yīng)注意正確夾持方法，才不會使工作物產(chǎn)生傾倒，并可應(yīng)用彈簧以方便工作物的拆卸。三是凸輪夾持法。凸輪夾持構(gòu)件是利用凸輪或偏心軸的徑向距離（凸出量）的改變，以杠桿原理產(chǎn)生徑向夾持力及摩擦力以夾緊工件。凸輪雖可提供有效而迅速的夾緊方法，但被限定在一定的角度范圍內(nèi)才能產(chǎn)生自鎖作用。其缺點為容易受震動而松開，故其不是一個確定的夾持工具。凸輪在夾持時有移動工件的趨勢，故需先將工件抵住定位件或至于承窩內(nèi)在予夾緊。工件尺寸誤差較大或需要較大的夾持力時不宜使用凸輪夾持工件。凸輪面的曲線有渦旋線及偏心圓，偏心圓容易制造，但鎖緊力不如渦旋凸輪。這些工裝夾具都是經(jīng)由專業(yè)制造人員，經(jīng)多年的試驗改良，其通用性很高，但對于特定需求卻很難滿足。本文試圖改進(jìn)先用的數(shù)控機(jī)床工裝夾具，使其不僅適用于各種夾持方式，更能滿足特定條件的施力要求，確保零件不受損傷。

2 數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計內(nèi)容

2．1 數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計原則

數(shù)控銑床工裝夾具常與型架工具配合。其設(shè)計時必須考慮以下原則：工裝夾具本身能正確的定位于型架上；工裝夾具能正確的將工件定位，并夾緊于加工位置；工裝夾具夾定工件時不可過度施力，以免損傷零件；工裝夾具與零件的接觸面需有保護(hù)裝置，以免損傷零件；工裝夾具本身需具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以承受工件加工時所產(chǎn)生的作用力；工裝夾具最好具有防護(hù)裝置，防止工件被錯誤的組裝或加工；工裝夾具最好具有令工作者檢驗加工位置正確與否的功能；工裝夾具最好容易更換已磨損、腐蝕或損壞的零件；易受磨耗的工裝夾具零件，應(yīng)使用高硬度材料，或加以適當(dāng)?shù)臒崽幚恚还ぱb夾具本身的公差，需配合工件的精度訂定；工裝夾具的造價應(yīng)低廉。

2．2 數(shù)控銑床工裝夾具的固定方式

就固定方式而言，為了避免工件在加工過程中發(fā)生移動，必須沿作用力的方向?qū)⒐ぜ潭ǎ撗b置稱為夾持構(gòu)件。定位構(gòu)件為在于工裝夾具夾持工作物時，能使工作物均能在相同的位置，使每一工件加工完成后都能在加工公差范圍之內(nèi)。夾緊與定位雖然是不相同的構(gòu)件，但常見合二為一的設(shè)計。夾持構(gòu)件設(shè)置的位置影響工件的加工品質(zhì)、工作效率及安全。夾持構(gòu)件利用力學(xué)的機(jī)械利益，能以很小的施力產(chǎn)生很大的夾持力。一般夾持構(gòu)件均不單獨使用一個元件，而以數(shù)個元件合并組合應(yīng)用。在加工過程中，工作物必須安裝或拆卸。所以工裝夾具的夾持機(jī)構(gòu)的操作也必須能迅速、省時、易維修。為了達(dá)成這一目的，鑒于當(dāng)前工裝夾具夾持機(jī)構(gòu)已有若干種已成為標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，設(shè)計者可直接使用成品，從而大幅節(jié)省制造時間。

2．3 數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計的路線與工藝

對于加工路線與工藝的確定，首先需要做好的是對數(shù)控銑床所需要進(jìn)行加工的零部件加以完備的分析，從而確保能夠清晰的了解各種零部件所使用的材料特性及結(jié)構(gòu)方面所展現(xiàn)出的特征。除此之外，還要關(guān)注所要加工的零部件需要達(dá)到的精度水平以及熱處理等方面的技術(shù)的應(yīng)用。加工過程中的定位的標(biāo)準(zhǔn)及前后工序之間的相關(guān)性也需進(jìn)行明確。在工裝夾具的設(shè)計過程中，機(jī)床以及所使用的刀具兩大方面的技術(shù)參數(shù)也是設(shè)計的基礎(chǔ)所在，參數(shù)的確定也最終決定了走刀的方式。是否進(jìn)行一次裝夾確保一次成型能夠直接影響對工件進(jìn)行安裝的工作頻數(shù)，這也影響著作業(yè)的時間。

2．4 數(shù)控銑床工裝夾具設(shè)計的對刀

一是對于工裝夾具設(shè)計中的對刀點確定。在一般化的設(shè)計過程中，計算方式的簡單化是當(dāng)前較為倡導(dǎo)的，而這就要求對刀點的確定必須能夠較為便捷的與零件定位標(biāo)準(zhǔn)加以換算，從而一方面使得找正工作簡單易行，另一方面也有利于在后期加工過程中加以準(zhǔn)確檢查，最終帶來誤差的減少。因此，對刀點一般來說就是零件的定位標(biāo)準(zhǔn)點。

二是對于刀具的選擇加以明確。在數(shù)控機(jī)床工裝夾具的設(shè)計過程中，必須確保能夠根據(jù)夾具、零件所處的銑床臺面位置來考慮刀具方面的配置，并進(jìn)而結(jié)合刀具自身的長度及加工特色來確定刀具的具體類型，并將其安置于銑床工作臺面的合適位置處。這種設(shè)計的目的是在于防止在加工過程中出現(xiàn)撞刀等問題。另外，針對銑床的切削量的大小也需要加以重視，這應(yīng)當(dāng)根據(jù)加工的粗細(xì)程度來進(jìn)行具體的確定。如果是屬于粗加工，則應(yīng)當(dāng)增加切削量，從而確保生產(chǎn)效率的提升，如果屬于精加工，則應(yīng)當(dāng)以工裝夾具所具有的精度方面的問題作為設(shè)計過程的主要考慮因素。

3 數(shù)控銑床工裝夾具的設(shè)計改進(jìn)

3．1 工裝夾具設(shè)計采用一次裝夾多個工件

數(shù)控銑床以壓縮空氣為動力，松開、夾緊刀具，方便手動換刀，而加工中心則能實現(xiàn)自動換刀。加工時換刀能實現(xiàn)依次加工多種表面，但每次換刀耗時較多，特別是自動換刀有時會出現(xiàn)故障（加工中心的故障大部分出在自動換刀系統(tǒng)）。因此，在滿足加工要求的前提下，減少換刀次數(shù)能節(jié)省輔助時間，可提高數(shù)控機(jī)床的工作可靠性。本文通過合理的工裝夾具設(shè)計（如采用一次裝夾多個工件），適當(dāng)?shù)卣{(diào)整工藝能最大限度地減少換刀次數(shù)。現(xiàn)根據(jù)工件外形尺寸和機(jī)床行程，工裝夾具設(shè)計成每次裝夾8個工件，如圖1所示，其工藝過程為：換孔a擴(kuò)孔刀，依次擴(kuò)工件1～工件8的孔a→換孔b擴(kuò)孔刀，依次擴(kuò)工件1～工件8的孔b→換孔a鉸刀，依次鉸工件1～工件8的孔a→換孔b鉸刀，依次鉸工件1～工件8的孔b。由加工工藝看出，加工8個工件，只要換刀4次，可大大節(jié)省輔助時間（機(jī)床工作臺移動時間相對換刀時間極少）。3．2 多件裝夾工裝夾具設(shè)計要點

圖1 每次裝夾8個工件

一是合理布置工件。根據(jù)工件外形尺寸、機(jī)床工作臺尺寸、機(jī)床行程及生產(chǎn)批量來確定每次裝夾的工件數(shù)量和布置方式。各工件之間距離應(yīng)合適，如圖1中取合適的工件距離m和n，以便裝卸工件和清除切屑。另外，安裝后工件敞開性要好，以便實現(xiàn)工序集中加工。

二是各定位元件組之間距離應(yīng)精確。定位元件之間的距離如圖2所示．圖2中，工裝夾具采用一面兩銷定位，每組定位元件中的圓柱銷與菱形銷之間的距離x1和y1根據(jù)工件尺寸確定。各組定位元件之間的距離，如兩圓柱銷之間的距離x2和y2應(yīng)精確，以保證機(jī)床運動部件（如刀具）按程序移動后，相對各工件有精確的位置。

圖2 定位元件之間的距離

三是合理的夾緊方式。夾緊元件盡可能簡單，以便刀具運動有更多的安全空間。盡量考慮聯(lián)動夾緊，實現(xiàn)同時夾緊多個工件，以便減少夾緊元件。如圖2所示，每個壓板同時夾緊2個工件。由于數(shù)控銑床多采用工序集中的加工方式，粗、精加工有時難以明顯分開，故夾緊力偏大。這樣易在工件表面留下壓板的壓痕。簡單有效的解決方法是在壓板上與工件接觸的部位焊上一層銅。

四是立式數(shù)控銑床所用工裝夾具設(shè)計。立式數(shù)控銑床加工時，切屑易落在工件與工裝夾具上。設(shè)計工裝夾具時，要特別考慮排屑，這對于工序集中、連續(xù)加工的加工中心尤為重要。合理的排屑應(yīng)使切屑不影響刀具切削的自動進(jìn)行；使切屑不易落在工裝夾具的定位元件上，以保證定位精度；使切削液便于沖刷、帶走切屑；使壓縮空氣便于吹除切屑。

4 小結(jié)

數(shù)控銑床進(jìn)行機(jī)械性加工時，以外力的作用使材料產(chǎn)生永久性的塑性變形（彎曲、成行及抽拉）或是產(chǎn)生破壞性的變形（沖切），因此其外力的作用均必須足夠達(dá)到材料的塑性范圍（降伏點之剪應(yīng)力），才足以使零件成形（沖切）。夾緊結(jié)構(gòu)必須沿作用力的方向來固定工作，也即須將工件穩(wěn)固的夾持于定位面或支持面上。因此，為改進(jìn)設(shè)計數(shù)控銑床件工裝夾具，還需注意的幾個原則：夾定點應(yīng)位于工件的強(qiáng)固部位，避免工件扭曲變形；夾緊的力量應(yīng)通過工件到達(dá)一個固定的支持點；有適當(dāng)且均勻的夾緊力，不可使工作物變形，或留有傷痕。數(shù)控銑床件為光制表面時更是如此；估計工裝夾具所需夾持力時，應(yīng)考量數(shù)控銑床件塑性變形后的回彈；實際的夾持力可能會大于估計的夾持力，在設(shè)計時最好將夾具所施最大應(yīng)力一并考量；夾具要容易操作、定位及松開，且避免妨礙到工件的定位和拆卸；夾具要能松開到足以清理工件的程度；盡可能使操作部位位于工裝夾具前方或操作者的旁邊。

［1］廖寧．?dāng)?shù)控機(jī)床“交鑰匙”工程中的若干工藝問題[J]．現(xiàn)代制造工程,2003(9)．

［2］周太平,康志成,夏翔．?dāng)?shù)控銑床與加工中心夾具設(shè)計[J]．現(xiàn)代制造工程,2011(2)．

［3］王光斗,王春福．機(jī)床夾具設(shè)計手冊[M]．上海科學(xué)技術(shù)出版社,2000．