鋁合金薄壁零件數控加工夾具問題探討

馬 廣

(①天津職業技術師范大學，天津300222;②東莞市電子商貿學校，廣東 東莞523573)

夾具按專門化程度及結構特點主要分為通用夾具、專用夾具、組合夾具和可調夾具4種。其中專用夾具是加工中心專為某一工件的某一特殊加工工序而設計制造的夾具。其特點是結構緊湊、操作方便，主要用于固定產品的大批量生產。

本文論題來源于東莞市標典精密五金制品有限公司，以批量生產的接線盒薄壁零件為例(如圖1)，對其加工過程中的裝夾定位設計了一套專用夾具，并在生產使用過程中根據實際情況進行了夾具的優化改良。在運用此專用夾具裝夾工件進行加工時，有效地減少了工件的裝夾和定位時間，極大地提高了加工效率和加工精度，工件批量生產時價值更加明顯。

1 加工方案分析

數據插頭接線盒產品如圖1所示，該產品是電腦上配件，為鋁合金材料，產品壁厚0.5 mm，大批量生產(月產量20萬件以上)，是東莞市標典精密五金制品有限公司于2012年2月份接的生產單。

產品加工技術要求為:(1)零件各表面不能有明顯劃痕、氣孔等損傷零件表面的缺陷;(2)零件底面不可用銼刀、砂布等工具修飾;(3)未注形狀公差應符合IT8的要求;(4)產品底面需要與其他物體粘接，應滿足Ra6.3μm要求。

加工工藝思考:產品為薄壁鋁合金零件，若采用切削加工材料浪費較大;經過對零件圖分析，產品外形粗糙度除底面由切削加工保證(要求粗糙的底面)，其余表面均為不去除材料方法獲得(比底面相對光潔)。固將該零件分成兩次加工方法進行，加工過程如圖2所示。首先采用壓鑄方式把產品鑄造成壁厚為0.5 mm的半成品，如圖2a所示;待產品外形鑄造完成后再利用數控銑對底面進行銑削加工，直至尺寸合格。

2 加工難點分析

根據確定方案對產品加工特點進行分析，經過與客戶溝通，產品外形鑄造所需要的模具由客戶提供，外發到鑄造廠代為生產，我方主要負責產品底面的銑削加工。此產品雖然只需要加工底面，但因為產品薄壁特征給加工帶來了很大困難。壓鑄時產生的飛邊較多(如圖3所示)，其澆注孔設計在底平面中心部位，產品的分型面設計在圖中2號位，1號位所示為壓鑄時在分型面處產生的飛邊。零件周邊表面條件較差，給后期底面加工時的定位帶來較大困難。在機床上加工時如何進行定位裝夾成了我們加工的最大難點。

根據零件的形狀及特點分析，對于這種加工要求的零件，首先如何能快速、準確地進行定位裝夾又保證生產量是關鍵，充分利用刀具資源降低刀具的損耗也是必須考慮的問題。因此，考慮避免工件振動刀具崩刃、工件裝拆缷方便等問題，在實際加工過程中有必要設計和制造一個簡單的夾具，能使工件進行簡便、快速、準確的定位裝夾，以保證加工精度，而且夾具力求結構簡單，制造方便，有一定的通用性，可供長期使用。為此設計圖4所示夾具，工件水平放置，加工面為Y方向的兩側面。

如圖5所示(圖中數字代表工位號)，該夾具的定位裝置設置了10個工位，加工過程中通過配合的方式確定工件毛坯件的加工位置。一次裝夾10個工件，利用3個緊固螺釘便可固定所有工件。圖中3-Φ12 mm孔為M10內六角固定螺釘通孔，側面銑削時把工件壓緊在座板上;采用氣動扳手固定緊固螺釘節省了裝夾時間。2-Φ6 mm孔為限位螺釘通孔，在此放置兩個M5內六角螺釘用以防止定位板與座板脫離，也用于整套夾具的裝配固定。2-Φ16 mm孔為定位裝置的定位銷孔，保證該定位板與座板的正確位置;定位板座板如圖6所示，在定位板與座板之間，3個M10內六角螺釘上套有彈簧，用于協助定位板與座板分離，便于工件取出。

3 夾具優化設計

3.1 夾具優化分析

采用圖5所示夾具進行側面銑削，每次可加工10個工件，并且縮短了裝夾時間，延長了刀具壽命。但經過產品半天的生產實踐后發現該夾具還存在不少問題:

(1)工件裝夾時間還有待優化:員工需要把工件一個一個按壓到位，花費了大量的裝夾時間，每人4套夾具輪換使用仍然滿足不了加工需求。

(2)定位問題存在不足:因為每個工件需要工作人員按壓到位，操作過程中因誤操作會導致個別工件位置不正確，加工后使工件底部壁厚過小甚至出現穿底現象，影響了工件加工精度。

(3)加工效率不高:夾具的壓緊支撐面導致底座體積笨重，工作人員花費了大量力氣取放夾具，對生產效率造成影響。

(4)加工后工件取出困難:因工件與夾具采用過渡配合，放入取出都需要一些力度，加工后因受刀具切削力擠壓使個別工件與夾具連接較緊，工作人員無法徒手從夾具中取出工件。

3.2 夾具優化設計

針對夾具出現的以上問題進行思考:

(1)裝夾耗時和裝夾不到位情況與人工操作密切相關，經研究決定增加夾具投入成本，設計一套氣動輔助夾緊裝置，用于在工件往夾具上裝夾過程中協助員工完成工件的正確定位。

(2)夾具座板上用來支撐并固定工件的部分制作成工件定位板，即把座板制作成分體結構，工件夾具與機床夾具連接部分設計成獨立的棱柱，使整套夾具由3大部分組成(上層定位板、下層定位板、底座)，結構如圖7所示。

(3)考慮到夾具在機床上裝夾時需要人工操作，不但要追求一次裝夾獲得工件的生產量，還要考慮員工工作過程中體力消耗及心理承受情況，故在改變了夾具底座結構后對夾具尺寸做了改動，每層產量由原來的10個產品變成8個產品，如圖8a所示，兩層都有工件加工一次生產量卻比方案一多了6個，如圖7所示，有16個工位供加工。

(4)上一套夾具因加工后個別工件與定位端連接過緊無法徒手取出。考慮到該工件體積小，夾緊力度不會太大，在加工定位板時各工位的寬度和高度尺寸應比工件內腔尺寸33 mm×18 mm小0.1～0.2 mm，在工件定位端的內側加工一小孔，工件套在每個工位上，可用工具給個別難取下的工件一個外推的力，這樣便可解決問題，如圖8a中的8-Φ8 mm的圓孔。

3.3 夾具優化方案說明

此方案夾具結構做了部分調整，降低了夾具自身重量，增加了每次裝夾工件的生產數量，解決了工件取不出的難題，如圖8a所示。圖中所示8-Φ8 mm的圓孔用于協助工件的取出;2-Φ10 mm銷釘孔起到整套夾具的定位作用;3-Φ8.5 mm內六角螺釘孔用于安裝M8螺釘以夾緊上、下層的工件;2-Φ5 mm孔為內六角螺釘過孔，M4螺釘通過該孔安裝在夾具座板上(如圖8b)用于限制兩塊定位板位置，把上下定位板固定在座板上，起到夾具的裝配固定作用;在3個Φ8.5 mm孔下有彈簧套在M8的內六角螺釘上(在上下兩層定位板之間)協助兩塊定位板分離，方便取下產品。

3.4 產品裝夾設備設計

為解決加工過程中工件往夾具上裝夾時耗費時間長和工件裝夾不到位等情況，經研究決定設計一套輔助夾緊裝置，即氣動夾緊裝置(如圖9所示)。該夾緊裝置是用于工件往夾具上裝夾固定時使用。

(1)氣動夾緊裝置設計思考

①夾緊裝置尺寸規格:該裝置主要目的用于協助操作員工把工件正確裝夾到專用夾具上，其體積不用太大，氣缸行程以滿足要求為主，盡量降低制作成本。

②夾緊裝置各配件均為板類零件，外型尺寸精度無特別要求，充分利用現有材料，利用普通銑床加工，保證限位板和推板平行。

③夾緊裝置要求操作簡便，方便工作人員掌握其操作方法。

基于以上思考，該氣動夾緊裝置選擇兩個迷你緊湊型氣缸(如圖9)提供夾緊推力，氣缸最大行程50 mm可以滿足工作需求，氣缸體積小、重量輕、價格便宜，降低整套夾緊裝置的制造成本;選用兩個氣缸可以保證夾緊過程中兩端受力均勻，保證各工件都能正確到達合適位置，也防止因單邊受力過大夾壞工件。利用一個手動換向閥(如圖9b)來控制夾緊和打開功能，換向閥手柄往前推時裝置進入夾緊狀態，往后拉時便可打開夾緊裝置取下夾具。圖9b中固定板和推板內側(即與工件直接接觸的推板面)安裝10 mm厚的橡膠板，用于緩沖夾緊時的沖擊力以防止工件被壓傷并用于補償壓鑄坯件的尺寸誤差，保證夾緊的可靠性。

(2)工件毛壞件裝夾步驟

①利用氣動扳手松開固定螺釘(如圖9b)取下已經加工好的工件。

②把待加工的坯件逐個套在夾具上，把夾具放在夾緊裝置平臺上(如圖9)。

③把換向閥手柄往前推使推板與夾具上工件接觸，將夾具牢牢夾在中間。

④操作人員利用氣動扳手緊固圖9b中所示的3個固定螺釘使上下層工件相互壓緊。

⑤把專用夾具裝夾到數控機床的工作臺夾具上(平口鉗)，進行工件底面銑削。夾具在機床上裝夾情況如圖10所示，夾具在平口鉗上安裝時X方向的位置雖然沒有嚴格要求，但誤差也不能太大，應該保證單側X方向的4個工件都在刀具走刀范圍內。為保證夾具在平口鉗上的位置正確，設計了1個專用鉗口，以協助操作人員正確放置夾具，提高生產效率，專用鉗口使用如圖10a所示。

圖10a中的專用鉗口通過兩個內六角螺栓固定在平口鉗鉗口位置，每次操作人員裝夾專用夾具到機床工作臺時，保證專用夾具的側面與擋塊突出部分的側面貼實，然后夾緊平口鉗即完成在機床上的裝夾。

4 數控加工程序編制

在數控銑床上加工的程序較為簡單，可采用CATIA軟件進行編制也可選擇手動編程方便車間現場調試。因為工件裝在平口鉗上，需要加工的只是2個側面部分，切削量小，一次走刀加工到位。本次加工選用Φ12 mm平底合金銑刀，進給速度為2 500 mm/min，主軸轉速設為1 800 r/min。刀具僅需要銑削前后側面工件的底部，夾具外形尺寸為160 mm×103 mm，工件坯件底面厚度為0.5 mm，工件底面加工要求厚度達到，在編制刀具走刀路徑時，設計一個200 mm×103.8 mm的方形輪廓做為參照，刀具按該輪廓外形走刀便可實現工件底面銑削程序編制目的。

5 結語

本文涉及的專用夾具及輔助裝置結構簡單、成本低，為每臺機床配置1套裝夾輔助裝置和6套專用夾具。在1次裝夾過程中看似需要浪費一定時間，但是1位操作人員配置6套專用夾具，只要在開機前把每個零件套在夾具相應工位上保證六套夾具裝夾好，整個加工期間各夾具可輪換使用，為操作人員節省大量時間(平均約2 min完成一個加工流程，即生產16件產品)，節減數控設備使用數量，使企業的效益得到大幅提升。

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