前缸體件的數控加工中心專用夾具設計

張國政，周元枝，王軍

（安徽機電職業技術學院數控工程系,安徽蕪湖241002）

前缸體件的數控加工中心專用夾具設計

張國政，周元枝，王軍

（安徽機電職業技術學院數控工程系,安徽蕪湖241002）

針對某石化設備上前缸體件的工序集中加工要求，提出設計一種數控加工中心專用夾具裝置.根據加工工序順序優先原則，分析前缸體件首道加工工序問題，提出以工件外圓柱面為粗基準代替傳統鏜削為首道工序的平面粗基準，利用六點定位原理的完全定位方案，設計一套專用V形塊定位的夾具裝置，保證工件能正確裝夾在數控加工中心機床上，完成工件平面及其上螺紋孔面的加工.該夾具裝置實現了大規模定制生產需求，提高了數控加工能力.

前缸體件；首道工序；專用V形塊；專用夾具

在現代制造業中，大規模定制批量生產以及單件定制多采用數控加工，為充分發揮現代數控機床的功能，尤其是性價比良好的中檔數控機床［1］，例如某石化設備上前缸體件具有多面、多孔、復雜輪廓、型腔等加工特征，需要設計專用夾具裝置實現工序集中加工要求.專用夾具主要是針對工件某道工序或某幾道工序加工時需要快速裝夾而設計，通常為大規模、批量生產模式下才進行專用夾具設計，進而提高工件裝夾效率，是保證工件加工質量的前提.針對某石化設備上某前缸體工件大規模定制生產需求，比較分析傳統首道工序安排存在的問題，提出平面及其上螺紋孔加工為首道工序，并設計專用夾具實現工件在數控加工中心機床上加工，保證了工件加工質量，并提高了數控加工能力.

1 前缸體件首道工序分析

1.1 特征加工面

工件的加工工藝及夾具規劃設計是依據特征加工面，根據特征加工面之間的加工特征、精度特征等從而確定工藝方案及其夾具規劃設計［2］.根據文獻［3］提出的基于特征加工面工位判別方法，利用特征加工面的單位外法矢量之間的點積進而確定各特征加工面方位，以此判別各特征加工面是否屬于相同的工位.結合該方法，針對工件加工首道工序安排問題，確定了與首道工序相關的兩個工位上的特征加工面（見圖1），分別以特征加工面1（包括平面和螺紋孔）和特征加工面2（包括孔面、倒角面、端面及孔）表示，每個特征加工面的精度特征等要求在圖中已表達，其中，特征加工面1中的平面和特征加工面2的孔面是主要特征加工基準面，其他特征加工面是其上的附屬特征加工面.特征加工面1和特征加工面2都是工件上主要加工表面，也是影響工件加工、裝配的重要表面，在不考慮其他加工特征面的前提下，本文從首道工序的確定，分析兩個特征加工面之間工序順序安排.

1.2 首道工序分析

首道工序即工件加工第一道工序，首道工序的確定是為后道工序加工提供精基準，也是關系到工件加工質量的關鍵.某企業在大規模定制生產該批工件時，首道工序安排的是特征加工面2，即采用特征加工面1為粗基準，完成的主要工序內容見表1.

表1 特征加工面2為首道工序安排表

表2 特征加工面1為首道工序安排表

表1為企業經常采用的首道工序加工內容，采用結構較為簡單手動螺旋壓板式的鏜孔專用夾具，在臥式回轉工作臺的銑鏜上完成特征加工面2的加工內容，加工效率較高，工序較為集中，這種首道工序安排看似方案良好，但存在兩方面較大的問題：一是企業的傳統鏜削首道工序與機械加工工藝手冊中所規定的工藝優先安排原則有出入，不滿足機械加工工藝手冊中規定“先面后孔”和“基面先行”的原則［4］.所謂“先面后孔”即特征加工面為平面的先加工，孔面的應該安排到后道工序加工，因為平面加工比孔面加工容易，且精度易保證.所謂“基面先行”指的是作為精基準表面的特征加工面需要先加工，從而在后道工序中可以做為精基準用于保證工件正確和準確的裝夾.二是企業實際完成的加工總是出現Φ164孔與其外圓柱面同軸度誤差大，造成壁厚不均勻現象，會對工件裝配時有較大的影響.根據以上分析，前缸體首道工序的安排采取先面后孔”和“基面先行”的原則，即首道工序加工特征加工面1（見表2）.

圖1 前缸體主要特征加工面

圖2 前缸體傳統鏜削首道工序安排

2 專用夾具設計

2.1 工件定位方案設計

工件以特征加工面1為首道工序時，其主要定位基準是Φ164孔中心線，進而保證加工平面與該中心線之間的IT8等級的尺寸精度要求.根據六點定位原理，為了完成特征加工面1的平面及其8M10螺紋孔，需要采用完全定位方式對工件進行定位.為了避免Φ164孔與其外圓柱面同軸度誤差大而造成壁厚不均勻現象，以Φ164孔中心線為基準時，應該以毛坯外圓柱面為主要定位基準面（見圖3）.

前缸體工件外圓柱表面為粗基準表面，可限制其4個自由度，兩耳一邊和缸體端面各限制工件1個自由度，實現工件6個自由度的完全定位.工件外圓柱表面的定位主要選用V形塊、半圓套等，考慮到工件兩耳一邊需要支承，且工件夾緊方向要朝向主要定位基準面，兩耳需要分別承受夾緊力F，因此，工件兩耳部分需要分別選用固定支承和輔助支承用于工件定位和夾緊作用，這兩種支承都需要安裝在V形塊上，為此V形塊必須專門設計.

2.2 專用夾具設計

根據首道工序圖要求（見圖3），前缸體首道工序裝夾專用夾具設計見圖4，其中定位裝置包括有專用V形塊3，專用V形塊3安裝在夾具體1上，在專用V形塊3兩端的上端面上分別固定有固定支承11、輔助支承7，在專用V形塊3對稱中心一側設有圓柱擋銷10，圓柱擋銷10安裝在夾具體1上，由專用V形塊3、固定支承11和圓柱擋銷10構成了前缸體工件定位裝置.這個定位裝置主要是依靠專用V形塊3進行定位約束工件的4個自由度，固定支承11約束工件的1個自由度，圓柱擋銷10約束工件1個自由度，工件被完全約束，定位迅速可靠，那么專用V形塊上輔助支承7是保證給工件施加夾緊力時裝夾剛性和夾緊穩定性.該夾具夾緊裝置包括有兩個分別位于專用V形塊3兩側的氣缸16，兩個氣缸16與專用V形塊3之間分別設有一個立柱6，兩立柱6底部安裝在夾具體1上，兩氣缸16的頂桿14豎直設置，頂桿14的頂部橫向轉動安裝有杠桿13，杠桿13的中部轉動安裝在立柱6頂部，杠桿13的另一端固定有壓塊18，壓塊18位于杠桿13的下端面上且位于固定支承11或輔助支承7的正上方.當前缸體工件定位后，該夾緊機構通過氣缸16推動頂桿14帶動杠桿13，由杠桿13一端安裝的壓塊18對工件夾緊.在各元件安裝方面，專用V形塊3通過圓錐銷2定位在夾具體1后用內六角螺釘4鎖緊.兩個氣缸16分別用角鐵15和螺釘5固定在對應的立柱6上.夾具體1底部安裝有定向鍵17，定向鍵17與機床工作臺T型槽配合.頂桿14與杠桿13、杠桿13與立柱6、杠桿13與壓塊18分別通過螺栓8、9、12配合螺母安裝在一起.壓塊18在杠桿13上的上下位置可以通過螺栓12調節.前缸體工件具體裝夾見圖5和圖6.

圖3 前缸體首道工序圖

圖4 前缸體首道工序專用夾具設計

圖5 前缸體裝夾正面圖

6前缸體裝夾反面

2.3 專用夾具應用

該專用夾具設計解決了前缸體首道工序裝夾問題，并申請了相關知識產權專利［5］.通過企業制作該夾具投入使用，有效地解決了傳統工藝設計中存在的問題，利用加工中心機床大幅度提高加工效率，且工件裝夾方便，有利于迅速定位工件并實施夾緊.該裝置設計運用氣動夾緊方案代替傳統螺旋壓板機構，既是綠色夾具，也降低工人勞動強度且節約了大量輔助裝夾時間［6］.專用夾具在實際應用中具有良好的效果，為投入大規模批量定制生產提供保障.

3 結語

在大規模定制批量生產的模式下，為了保證工件加工質量和提高生產效率，分析了前缸體工件首道工序設計和工件定位基準選擇等問題，確定了以平面加工及其螺紋孔加工為首道工序，以外圓柱表面為粗基準表面，采用專用V形塊及支承、擋銷實現工件的正確定位，采氣動夾緊裝置進行工件夾緊，設計該專用夾具保證前缸體工件裝夾迅速、可靠，從而滿足大規模定制批量生產需求，提高中檔數控機床加工的能力.

［1］周元枝，張國政，王軍.箱殼件多工序加工工藝規劃及夾具設計[J].西昌學院學報（自然科學版），2016（3）：7-10.

［2］張國政，韓江.多工序加工系統的數控夾具設計與應用[J].機械設計，2012（11）：94-98.

［3］Zhang G Z,Zhou Y Z.The design of turn-mill process planning for mass customization wheel rim[J].Key Engineering Materials,2015 (670)：164-169.

［4］王先逵.機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

［5］張國政，李嘉翔，楊磊.一種V型塊定位的氣動夾緊加工中心夾具[P].中國專利：201420357963.2,2014.

［6］張國政，劉有余.PLC控制的多工序氣動夾具設計[J].機床與液壓，2012，40（10）：40-44.

Design of Numerical Control Machining Center Special Fixture for Front-cylinder Block Workpiece

ZHANG Guo-zheng,ZHOU Yuan-zhi,WANG Jun
（Numerical Control Department,Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241002, Anhui,China）

According to the integrated process machining requirement of the front-cylinder block of the petrochemical equipment,a special fixture for NC machining center is proposed.The first machining procedure problem of the front-cylinder block is analyzed based on priority principle of machining processes,the plane rough datum of the first procedure traditional boring is replaced by cylindrical surface rough datum of workpiece,using the complete located scheme of six point position principle,the design of a set of special V shaped block position fixture device is proposed,to ensure the workpiece can be correctly installed on the NC machining center,the plane and its thread hole surface are machined completely.This fixture device can realize mass customization production requirement and improve the ability of NC machining.

front-cylinder block；first machining procedure；special V shaped block；special fixture

TG659

A

1007-5348（2016）10-0015-04

（責任編輯：歐愷）

2016-10-23

安徽省高等學校自然科學研究重點項目（KJ2015A383，KJ2014A036）；安徽機電職業技術學院青年教師發展支持計劃自然科學研究項目（2015yjzr023）.

張國政（1980-），男，安徽合肥人，安徽機電職業技術學院數控工程系教授；研究方向：數控工藝規劃理論及CAFD技術.