氣動(dòng)閥體車夾具設(shè)計(jì)

崔業(yè)軍

(無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028)

1 問(wèn)題的提出

氣動(dòng)閥體作為一種批量大、結(jié)構(gòu)特殊的典型閥體零件，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在以往的工藝生產(chǎn)中，采用四爪卡盤(pán)定位車削內(nèi)孔。從工藝上來(lái)講，雖然能夠滿足氣動(dòng)閥體內(nèi)孔加工要求，但四爪卡盤(pán)裝夾調(diào)整費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。根據(jù)這種狀況，我們提出了工藝工裝改善。

為了滿足氣動(dòng)閥體內(nèi)孔的加工精度和切削效率，我們選擇適合氣動(dòng)閥體加工經(jīng)濟(jì)精度的數(shù)控車床作為加工設(shè)備，以此來(lái)設(shè)計(jì)車夾具。由于氣動(dòng)閥體周面類似八面形，如圖1 所示。如此一來(lái)，氣動(dòng)閥體在數(shù)控車床上裝夾是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)考慮，我們決定采用二爪液壓動(dòng)力卡盤(pán)，并設(shè)計(jì)與之配套的專用車夾具，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)閥體加工工裝改進(jìn)，提高生產(chǎn)效率。

2 夾具結(jié)構(gòu)與使用過(guò)程

根據(jù)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范［1］，設(shè)計(jì)了一種適合氣動(dòng)閥體專用車夾具，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。夾具的使用過(guò)程如下:

(1)將夾具下座體18 和上座體9 用內(nèi)六角螺釘聯(lián)接于卡盤(pán)端平面。

(3)閥體外平面須與中間支撐零件13 凸臺(tái)可靠接觸，防止閥體在加工過(guò)程發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此外，通過(guò)中間支撐零件13 上左右凸臺(tái)定位也提高閥體自身加工剛性。

(4)調(diào)整左右兩個(gè)支撐螺釘3 輔助支撐工件11，提高閥體加工時(shí)的剛性。同時(shí)，支撐螺釘3 也可以根據(jù)工件11 的外形適當(dāng)調(diào)節(jié)，保證夾具使用的靈活性。

(5)工件11 安裝完畢后，啟動(dòng)二爪液壓卡盤(pán)，利用壓板10 壓緊工件11 非定位側(cè)平面，壓緊后要檢查工件11 夾緊是否可靠、安全。

(6)根據(jù)工件11 的材料性質(zhì)及內(nèi)徑大小，調(diào)整車床主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給量大小等，然后啟動(dòng)數(shù)控車床，自動(dòng)循環(huán)加工。工件11 加工完后，松開(kāi)二爪液壓卡盤(pán)，取下工件11。等待下一工作循環(huán)。

3 夾具設(shè)計(jì)分析

二爪液壓卡盤(pán)與工裝裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)閥體的自動(dòng)定位夾緊，提高生產(chǎn)效率，且滿足了其內(nèi)孔的加工精度。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要注意以下問(wèn)題:

3.1 定位方案設(shè)計(jì)［2］

閥體夾具定位方案設(shè)計(jì)，其定位方位如圖3 所示。利用氣動(dòng)閥體左端面與定位法蘭8 的臺(tái)階削邊外圓端面接觸，限制Z 向移動(dòng)、X和Y 旋轉(zhuǎn)方向的3個(gè)不定度。同時(shí)，定位法蘭8 的臺(tái)階上削邊外圓與其內(nèi)孔配合，限制了X 向移動(dòng)。此外，為了限制氣動(dòng)閥體在Y向移動(dòng)和Z 向旋轉(zhuǎn)向的不定度，在中間支撐14 上設(shè)計(jì)了窄長(zhǎng)方形面，考慮到氣動(dòng)閥體的外形面是壓鑄鋁合金面和澆注口的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)將窄長(zhǎng)方形面中間去除，保留兩端接觸，符合毛坯面定位的基本要求。在氣動(dòng)閥體的前端八角外形處設(shè)計(jì)了兩個(gè)輔助支撐螺釘3，解決了其毛坯安裝對(duì)稱性和自身加工剛性的提高。

3.2 定位誤差

從氣動(dòng)閥體定位原理圖3 來(lái)看，氣動(dòng)閥體Z 向定位與其零件軸向尺寸設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合，存在著基準(zhǔn)不重合誤差。但在實(shí)際工藝設(shè)計(jì)中，考慮數(shù)控編程的方便，我們將其軸向尺寸的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為工藝基準(zhǔn)，故其軸向基準(zhǔn)的定位誤差為零［3］。

同時(shí)，從夾具定位原理圖3 可知，氣動(dòng)閥體的徑向方向的定位誤差有兩個(gè)方向。一個(gè)是X 向定位(定位法蘭8 的臺(tái)階上削邊外圓與其內(nèi)孔配合，存在著基準(zhǔn)位置誤差。其基準(zhǔn)位置誤差為:

式中:δgx為氣動(dòng)閥體內(nèi)孔直徑公差;δx為定位法蘭8 的臺(tái)階削邊外圓的直徑公差;Δmin為氣動(dòng)閥體內(nèi)孔與定位法蘭8 臺(tái)階外圓配合時(shí)規(guī)定間隙。

另一個(gè)是Y 向定位，Y 向是利用氣動(dòng)閥體的外形定位，所以其Y 向的定位基準(zhǔn)誤差為:

那么，X 向和Y 向的綜合定位基準(zhǔn)誤差為:

設(shè)計(jì)時(shí)按照夾具定位誤差設(shè)計(jì)的基本原則，誤差ΔΣJW應(yīng)為氣動(dòng)閥體內(nèi)孔公差(以最小公差為基準(zhǔn))或者其工序定義公差的1/3，但不得超過(guò)1/2。依據(jù)這個(gè)要求，我們選取內(nèi)孔公差范圍的中間值0.09 mm，進(jìn)行X 向定位誤差ΔJWX和Y 向定位誤差ΔJWY的推導(dǎo)。經(jīng)過(guò)公式(3)以及公差分析分配，確定X 向定位誤差ΔJWX為0.08 mm，Y 向定位誤差ΔJWY為0.04 mm。結(jié)合公式(1)誤差組成，設(shè)計(jì)了定位法蘭8 的臺(tái)階削邊外圓的直徑公差為0.03 mm，其與理論配合間隙為0.02 mm。同時(shí)，由式(2)也可推導(dǎo)出Y 向氣動(dòng)閥體的外形誤差為0.08 mm，與其壓鑄鋁合金毛坯公差相比較，完全符合要求。

此外，為了滿足不同批次氣動(dòng)閥體外形誤差的要求，我們還設(shè)計(jì)了定位螺釘17，通過(guò)旋轉(zhuǎn)定位螺釘17可以調(diào)節(jié)中間支撐14 上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外形誤差的批次調(diào)節(jié)控制。

3.3 動(dòng)平衡分析

氣動(dòng)閥體車夾具是利用高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削加工，夾具上各零件在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，各離心力在加工敏感方向的分力將隨不平衡零件的轉(zhuǎn)角變化而變化，同樣也會(huì)在被加工氣動(dòng)閥體內(nèi)孔表面上產(chǎn)生形狀誤差。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)夾具的同時(shí)，必須考慮卡盤(pán)各零部件以及工件自身的離心慣性力對(duì)氣動(dòng)閥體加工精度的影響。首先，依據(jù)質(zhì)量離心慣性力計(jì)算公式為［4］

式中:mi為第i 個(gè)零件質(zhì)量，kg;ri為第i 個(gè)零部件質(zhì)量中心至車床主軸回轉(zhuǎn)中心的距離，mm;ωi為主軸角速度。

推導(dǎo)出卡盤(pán)上各零件產(chǎn)生的離心力為

式中:n 為加工時(shí)車床主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(5)可見(jiàn)，隨著數(shù)控車床轉(zhuǎn)速增加，連接于卡盤(pán)端平面上的零件會(huì)產(chǎn)生離心力也會(huì)逐漸增大，且刀具在切削加工時(shí)，刀具也會(huì)產(chǎn)生徑向進(jìn)給力Fy的作用［5］。依據(jù)動(dòng)平衡誤差計(jì)算，卡盤(pán)端平面上各零件的綜合離心慣性力Qb和徑向切削分力Fy所引起的氣動(dòng)閥體相對(duì)于主軸回轉(zhuǎn)中心的徑向跳動(dòng)誤差為

式中:k系為工藝系統(tǒng)剛度，N/mm。

根據(jù)式(6)分析，在卡盤(pán)整個(gè)360°回轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于二力的同向與反向，會(huì)給氣動(dòng)閥體內(nèi)孔的輪廓形狀造成類似“心形”的誤差［6］。為了消除動(dòng)平衡誤差，我們可以通過(guò)降低機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速降低，會(huì)改變切削條件，影響零件表面加工質(zhì)量。因此只能在夾具上加一平衡質(zhì)量為mb0上座體9，使其產(chǎn)生的離心慣性力Qb0與夾具上其它各零件產(chǎn)生的綜合慣性力Qb相平衡，解決氣動(dòng)閥體車夾具動(dòng)平衡誤差的問(wèn)題。

通過(guò)車床部件剛度測(cè)定的三向加載裝置，測(cè)得夾具使用的HTC1635 數(shù)控車床床頭(近主軸端)在徑向力Fr=10 400 N 的作用下，引起徑向的變形量Δr=153 μm。依據(jù)機(jī)床部件的剛度公式

可以實(shí)驗(yàn)得出車床床頭工藝系統(tǒng)剛度約為32 400 N/mm。

以目前氣動(dòng)閥體內(nèi)孔平均加工速度3 500 r/min，結(jié)合公式(6)來(lái)算，要想設(shè)計(jì)徑向動(dòng)平衡跳動(dòng)誤差小于0.02 mm，上座體9 的靜平衡誤差量必須小于5 g，才能滿足工件加工工藝要求，但也可根據(jù)加工水平能力降低得更少［7］。

3.4 夾緊裝置

為了氣動(dòng)閥體更好的定位夾緊，且?jiàn)A具操作方便。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們充分利用了二爪液壓卡盤(pán)的自動(dòng)夾緊的作用。同時(shí)，依據(jù)液壓卡爪的行程直徑范圍(單爪移動(dòng)行程為0～5.5 mm)，合理的調(diào)整卡爪行程和壓力。其調(diào)整的條件是，在氣動(dòng)閥體加工完畢后，不能在其壓緊面留有印痕，否則影響其外觀質(zhì)量。

3.5 其他

設(shè)計(jì)支撐螺釘3 時(shí)要考慮到其與支撐架12 聯(lián)接螺紋要足夠長(zhǎng)，保證數(shù)控車床高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不易在機(jī)床自激振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生脫落。此外，下座體18 是用螺釘1 聯(lián)接于卡盤(pán)端面上，需要將二爪液壓卡爪另一個(gè)軟爪拆除。同時(shí)，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，要保證車削的可進(jìn)行性，支撐架12 要低于工件5～8 mm，以防氣動(dòng)閥體與端面加工刀具的干涉。

4 結(jié)語(yǔ)

在數(shù)控車床上，利用工裝定位與二爪液壓動(dòng)力卡盤(pán)夾緊裝置配合使用的車夾具，使用簡(jiǎn)單，加工工藝性好。特別是在大批量生產(chǎn)中能夠快速實(shí)現(xiàn)工件的裝夾，既節(jié)省工時(shí)，又降低了零部件的生產(chǎn)成本。且氣動(dòng)閥體車夾具已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，效果良好。

［1］陶崇德，葛鴻翰.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

［2］朱耀祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］黃觀堯，劉寶河.機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［4］劉鴻文.材料力學(xué)(上)［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［5］夏松波，劉永光，李勇，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械自動(dòng)動(dòng)平衡綜述［J］.中國(guó)機(jī)械工程，1999.10(4):19 -24

［6］劉正士，高榮慧，陳恩偉.機(jī)械動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［7］鄭建彬.通用動(dòng)平衡機(jī)中智能去重模塊的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2002(10):26 -28