一種加工中心用高精度角度調(diào)節(jié)組合夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差分析

徐亮

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

一種加工中心用高精度角度調(diào)節(jié)組合夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差分析

徐亮

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

為了達(dá)到反射罩45°拋物面在數(shù)控機(jī)床加工中的精度要求，本文設(shè)計(jì)出滿足其加工要求的雙V形塊加雙削邊軸的柔性角度調(diào)節(jié)組合夾具，同時(shí)采用極限位置法分析了該套組合夾具的定位誤差、轉(zhuǎn)角誤差的計(jì)算公式以及轉(zhuǎn)角誤差的變化范圍，并指出產(chǎn)生定位誤差的原因.

高精度；角度調(diào)節(jié)組合夾具；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；定位誤差；轉(zhuǎn)角誤差

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品種類日新月異，促使機(jī)械工業(yè)制造加工形式發(fā)生了明顯的變化，在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，要求機(jī)械加工機(jī)床和機(jī)床夾具裝備要有廣泛的適應(yīng)性，近幾年，數(shù)控機(jī)床和柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正滿足了多品種中小批量生產(chǎn)方式的需要，在這種生產(chǎn)方式中，組合夾具、可調(diào)夾具以及具有各種組合式和可調(diào)特性的柔性夾具系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用；組合夾具［1，2］是由預(yù)先制造好的，具有不同功能、不同形狀和不同規(guī)格尺寸的元件與組合件，根據(jù)被加工零件的不同要求組裝而成的不同用途、不同形式的夾具.它是在夾具的零部件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和規(guī)格化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型夾具.

本文分析了角度調(diào)節(jié)組合夾具設(shè)計(jì)中，鉸鏈結(jié)構(gòu)與雙V形塊加雙削邊軸結(jié)構(gòu)的區(qū)別以及產(chǎn)生定位誤差的原因，最后利用極限法推出了定位誤差與轉(zhuǎn)角誤差的理論計(jì)算公式以及轉(zhuǎn)角誤差的范圍值.

1 組合夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合夾具的功用是根據(jù)零件的加工工藝需要，在一定的機(jī)床加工設(shè)備條件下，按照六點(diǎn)定位原理［3］對(duì)所要加工的零件進(jìn)行定位和夾緊，限制其必要的自由度及保證定位的可靠性.圖1所示為鉸鏈結(jié)構(gòu)的角度調(diào)節(jié)組合夾具，由于存在間隙，鉸鏈在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心會(huì)隨著轉(zhuǎn)角的變化而發(fā)生漂移，影響了轉(zhuǎn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)精度，從而也會(huì)降低本套組合夾具的精度，最終使得工件加工精度下降而無法滿足圖紙要求.

圖1 鉸鏈組合夾具圖

圖2 反射罩零件剖視圖

圖2所示為反射罩零件剖面圖，為了滿足其45°拋物面在加工中心中的加工精度要求，零件在加工完外錐面后應(yīng)調(diào)整定位到精確的角度.本文專門研究設(shè)計(jì)了一套角度調(diào)節(jié)加工中心用組合夾具，如圖3（a）所示，用V形塊加削邊軸結(jié)構(gòu)代替了原有的鉸鏈結(jié)構(gòu)，同時(shí)該V形塊限位基準(zhǔn)構(gòu)成了夾具角度調(diào)節(jié)的回轉(zhuǎn)中心，該處V型塊側(cè)面設(shè)置有定位擋塊，便于上支撐板連同削邊軸快速軸向準(zhǔn)確定位.角度支撐定位體亦為V形塊加削邊軸結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整量塊高度達(dá)到調(diào)整角度的目的（圖4），從而構(gòu)成雙V形塊加雙削邊軸的多角度調(diào)節(jié)柔性組合夾具.使用V形塊進(jìn)行定位時(shí)，它的對(duì)中性好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外圓表面的定心、對(duì)中和定位，使工件的定位基準(zhǔn)軸線保持在V形塊兩斜面的對(duì)稱平面上，而且不受工件直徑誤差的影響，安裝方便.它既適用于完整外圓，也適用于非完整外圓及局部曲線柱面定位，還能與其他定位元件組合使用.圖3（b）和3（c）所示分別為該套組合夾具中削邊軸和角度支撐板的示意圖，三個(gè)削邊軸分別與三個(gè)V形塊接觸定位并呈品字狀分布，在夾具制作時(shí)，三個(gè)V形塊和三個(gè)削邊軸可以分別同件制造并編號(hào)，同時(shí)V形支承塊和削邊軸長度相等，便于上支撐板連同削邊軸軸向擋塊定位和夾緊.該結(jié)構(gòu)和工藝大幅提高了組合夾具的定位精度，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，配合角鐵其最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)90°，使其適應(yīng)的角度更為廣泛，此結(jié)構(gòu)組成的柔性組合夾具更適用于反射罩零件45°拋物面的銑削加工.

圖3 雙V形塊+雙削邊軸組合夾具圖

式中為各量塊的高度.

圖4 簡化后的組合夾具結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)角誤差示意圖

2 組合夾具的誤差分析

2.1 組合夾具定位誤差產(chǎn)生的原因

工件安裝誤差是指工件在組合夾具中定位和夾緊時(shí)產(chǎn)生的誤差，包括定位誤差和夾緊誤差.定位誤差是指工件在組合夾具中定位時(shí)工件的工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上可能產(chǎn)生的最大變動(dòng)量.一般在選擇定位基準(zhǔn)前需對(duì)夾具的定位誤差進(jìn)行分析，以便考慮如何選擇.若按產(chǎn)生原因分類，定位誤差分為：基準(zhǔn)位移誤差（零件定位基準(zhǔn)相對(duì)夾具定位元件理想限位基準(zhǔn)不一致引起的誤差）和基準(zhǔn)不重合誤差（它是指定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合所引起的誤差），由于在加工制造中經(jīng)常用調(diào)整法加工生成零件，所以大多情況下都存在這種誤差.

2.2 V形塊定位誤差的計(jì)算

在以工件外圓定位的定位元件中，V形塊的使用較為廣泛，其誤差主要來源于工件的尺寸和形狀誤差、V形塊的制造和安裝誤差（夾角誤差、對(duì)稱度誤差等），這些因素共同作用產(chǎn)生了工件的定位誤差，同時(shí)它并不是單一的加減法運(yùn)算，而是各矢量的疊加，因?yàn)樯鲜稣`差都存在一定的方向性.如圖5所示，若不考慮V形塊的制造誤差，則定位基準(zhǔn)在V形塊對(duì)稱平面上，它在水平方向上的位移為零，但在垂直方向上，因工件外圓柱面直徑有制造誤差，由此就會(huì)基準(zhǔn)位移產(chǎn)生定位誤差［4］.

圖5 V形塊以外圓定位的示意圖

如圖5所示，采用圓柱設(shè)計(jì)的尺寸為D0Δd（基孔制），對(duì)于該夾具的定位誤差的計(jì)算，若采用通常運(yùn)用的合成法過于復(fù)雜，為了可以簡化計(jì)算，本文采用極限法［5］進(jìn)行分析計(jì)算；工件的外圓中心為定位基準(zhǔn)，此時(shí)基準(zhǔn)不重合誤差為0；圖5中的兩個(gè)尺寸大小不同的圓分別為該工件在定位約束下的2個(gè)極限狀態(tài)，這2個(gè)極限狀態(tài)下所得的工序尺寸的差值就是由定位因素造成的工序尺寸基準(zhǔn)的變動(dòng)量，也就是我們常說的定位誤差，即：

也就是指在特殊情況下，當(dāng)d=dmax時(shí)，工序基準(zhǔn)為最高點(diǎn)；當(dāng)d=dmin時(shí)，工序基準(zhǔn)為最低點(diǎn)；此時(shí)，二者之差即為該工序的定位誤差.

2.3 雙V形塊+雙削邊軸組合夾具轉(zhuǎn)角誤差的計(jì)算

由V形塊的定位誤差分析可知，雙V形塊+雙削邊軸組合夾具角度的變化有兩種極限：第一種極限位置為當(dāng)?shù)锥说腣形塊圓柱直徑為最小值Dmin，上端V形塊圓柱直徑為最大值Dmax時(shí)；第二種極限位置為當(dāng)?shù)锥说腣形塊圓柱直徑為最大值Dmax，上端V形塊直徑為最小值Dmin時(shí)，如圖4（b）所示.以上兩種極限位置可以近似分析計(jì)算.

圖6 兩個(gè)極限狀態(tài)下，組合夾具轉(zhuǎn)角誤差示意圖

如圖6（a）所示，角度β1為向上偏置的最大角度，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系式，則有：

當(dāng)A=45°時(shí)，H=La，那么得出β1近似為：

其中La=L×cosA

如圖6（b）所示，角度β2為向下偏置的最大角度，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系式，則：

當(dāng)A=45°時(shí)，H=La，那么得出β2近似為：

綜上可述，當(dāng)角度A為45°時(shí)，整個(gè)V形塊組合夾具轉(zhuǎn)角的誤差范圍約為：

若夾具角度為任意角度A時(shí)，由數(shù)學(xué)三角函數(shù)關(guān)系式可得：

3 結(jié)論

本文通過對(duì)反射罩零件45°拋物面在加工中心上定位加工的分析和研究，獲得了以下結(jié)論：

（1）研究設(shè)計(jì)出一套數(shù)控銑床和加工中心用高精度角度調(diào)節(jié)柔性組合夾具，即為雙V形塊加雙削邊軸角度調(diào)節(jié)組合夾具；分析了鉸鏈結(jié)構(gòu)與雙V形塊加雙削邊軸結(jié)構(gòu)的區(qū)別和應(yīng)用特點(diǎn).

（2）本套組合夾具通過雙V形塊加雙削邊軸的設(shè)計(jì)，充分利用V形塊和削邊軸的中心對(duì)稱性、良好的工藝性，以及組合靈活的特點(diǎn)，極大地提高了夾具的精度和柔性，其最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)90°；通過支撐板和過渡盤上的圓周分度孔，結(jié)合雙定位插銷的應(yīng)用，可以起到空間角度萬能分度作用.

（3）分析了在銑削加工反射罩零件45°拋物面時(shí)產(chǎn)生定位誤差的原因，并通過極限法分析得出組合夾具在兩個(gè)極限位置下的定位誤差和轉(zhuǎn)角誤差的變化范圍以及計(jì)算公式.

〔1〕宋傳玉.工件在組合夾具中的定位誤差分析［J］.石油機(jī)械，2005，33（1）：34-35.

〔2〕董海東，王曉芳，等.V形塊定位誤差的分析與計(jì)算［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，5（4）：440-446.

〔3〕徐志剛，徐惠芳，劉宇齊.創(chuàng)新式組合夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2001（1）：55-60.

〔4〕李慶壽.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.34.

〔5〕高如松.一種活動(dòng)V形塊定位誤差的簡便算法［J］.機(jī)床與液壓，2000（6）：98-100.

TG75

A

1673-260X（2015）05-0045-03

安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目資助（2012gxk168）；安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目資助（2012zy118）