制動器箱體零件液壓自動夾具的設計

葉　寒，郭映芝，劉　華，江　濤，戴　琳，張　軍

(1.南昌大學 機電工程學院，南昌　330031；2.江西佳時特數控技術有限公司，南昌　330009)

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制動器箱體零件液壓自動夾具的設計

葉寒1，郭映芝1，劉華2，江濤2，戴琳2，張軍2

(1.南昌大學 機電工程學院，南昌330031；2.江西佳時特數控技術有限公司，南昌330009)

摘要：根據某風電偏航制動器箱體類零件結構和自動化加工要求，擬定了符合企業生產條件和要求的加工工藝，并設計了該零件第一道加工工序的機床夾具。針對箱體零件結構復雜、要加工的面和孔多的問題，合理的選擇了定位方案，并設計自動找正結構實現工件的自動找正，以減小工件裝夾時產生的定位誤差；同時使用轉角油缸來實現工件的自動夾緊。目前，該套夾具已經應用于實際生產，滿足零件的尺寸精度要求和自動化生產線產量要求。

關鍵詞：自動化生產線；箱體零件；夾具設計；自動找正

0引言

自動化生產線是以多臺數控機床為核心，通過機器人及自動化物流系統將其聯接，統一由主控計算機和相關軟件進行控制和管理的一種自動化制造系統[1]。數控機床夾具是生產線中一個重要的組成部分，對零件的加工質量、生產率和產品成本有著直接的影響。自動生產線要求機械手能將工件放入夾具中和從夾具中取出，因此要求夾具有一端是敞開的，方便工件的取放[2]。由于整個生產過程是自動進行的，要求夾具能對工件進行自動裝夾和定位，因此設計的夾具應該為自動夾具。本文在UG NX平臺上，設計了零件自動化生產線第一道工序的自動機床夾具。

1零件加工工藝

本零件為某風電偏航制動器箱體類零件，毛坯為鑄件，材料為球墨鑄鐵(QT-500-7)，其毛坯圖如圖1所示。箱體是支承或安裝其它零、部件的基礎零件，加工質量影響到機器的工作精度、使用性能和壽命[3]。箱體零件機構復雜，加工面多，其加工表面主要為平面和孔，其零件圖如圖2所示。

圖1　零件毛坯

本零件主要的尺寸要求為箱體內腔和孔。根據基準重合原則、統一基準原則、便于裝夾原則，選用零件底面(A面)為精基準。這樣可以定位穩定可靠，箱體開口朝上，便于鏜兩個內腔孔和加工上表面。便于在加工時，采用一面兩銷的定位方式。這樣的定位方式簡單安全可靠，便于裝卸工件，保證孔的加工精度[4]。粗基準的選擇影響位置精度，各加工表面的余量的大小。本零件的重要加工表面為上頂面(C面、D面)，根據重要表面余量均勻原則，余量足夠原則，便于工件裝夾原則，選取C面、D面為粗基準。

圖2　零件圖

根據先粗后精、先基準后其它、先平面后孔、先主后次等原則，零件大批量生產的加工工序安排方案如表1所示。

表1　零件批量生產加工工序安排

零件的第一道工序是加工平面A和鉆8個φ26的孔，零件的底面為大端面，采用銑削加工，使用面銑刀。為了提高效率，節約成本，采用U鉆進行鉆孔,其工藝如表2所示。

表2　第一道工序加工工藝方案

2夾具的設計

2.1定位方案和定位元件的選擇

定位就是確定工件在夾具中占有正確位置的過程。任何一個物體在空間直角坐標系中都有6個自由度，對工件定位就是限制自由度。工件加工時并不一定要限制6個自由度，只需要限制哪些影響工件加工要求的自由度[5]。

銑平面只需限制3個自由度，一個移動自由度(Z方向的移動)，兩個轉動自由度(繞X,Y的轉動)。鉆孔要限制4個自由度，兩個移動自由度(X,Y方向的移動)，兩個轉動自由度(繞X,Y的轉動)。8個孔的相對位置是固定的，為了保證加工時孔的位置，繞Z的轉動的自由度也需要限制，因此工件需要完全定位。

使用前面已經選好的粗基準作為主要定位面，由于工件的定位基準為平面，選用支撐釘作為定位元件。使用3個支撐釘分別作用于C面、D面，限制三個自由度，一個移動自由度，兩個轉動自由度。因為加工平面在D面這端，這邊承受的力更大，所以D面這端放兩個支撐釘。E面分散布置兩個支撐釘，限制兩個自由度，一個移動自由度，一個轉動自由度。F面放置一個支撐釘，限制一個移動自由度，這樣就實現了工件的完全定位，如圖3所示。根據國家標準GB2226- 1991，選擇A 型支撐釘。為了提高平面支撐的剛度，保證加工精度，增加兩個液壓鎖緊輔助支撐，分別布置在C面的兩側。

圖3　工件工序簡圖

2.2自動找正結構的設計

在自動化生產線中，工件由機器手抓取后放入夾具中，由于本道工序加工的對象為鑄件毛坯，而對于一些結構復雜的鑄件毛坯，其定位基準面的制造誤差可能達到幾毫米，這使得機器手在抓取工件放入夾具內時會出現較大的誤差和干涉。由于定位基準面存在誤差，因此一般都會在定位基準和定位面之間會留有一定的間隙補償量，從而工件放入夾具中后需要進行找正。可以通過模擬人工找正的過程，來進行自動找正結構的設計。

本設計采用液壓缸推動工件，使其與支撐釘接觸，來實現自動找正并且夾緊工件。如圖4所示，在工件的H面放置兩個液壓缸(圖中7)，G面放置一個液壓缸(圖中9)，液壓缸通過推動支撐釘來推動工件。當這幾個液壓缸同時推動工件，使其與E面和F面的支撐釘接觸，實現工件的找正，同時液壓缸也能起到夾緊工件的作用。由于支撐釘作用在工件側面，為了防止工件滑動，選擇C型支撐釘，以增大摩擦系數[6]。

1.基腳 2.夾具體 3.E面支撐釘裝置 4.轉角油缸 5.F面支撐釘裝置

2.3夾緊結構的設計

2.3.1夾緊結構的設計

夾緊機構要求夾緊后不能破壞工件定位后的正確位置，而且結構緊湊，便于制造和維修。對夾緊元件的尺寸及位置進行設計時，應注意不能與本道工序各表面加工時所使用的刀具干涉。夾緊力的大小也會影響工件的加工質量，在裝夾的過程中，如果夾緊力太小則會出現讓刀(在加工過程中出現的一種彈性變形現象)，夾緊力過大則會造成工件產生裝夾變形，故夾緊力的大小要適中[7]。

本夾具是在自動化生產線上使用，因此夾緊機構應該為自動夾緊機構。由于液壓夾緊裝置具有工作壓力高，傳動力大，工作平穩，噪聲小，結構簡單等特點，所以本夾具選用液壓夾緊裝置。一般夾緊力作用在主要定位面上，工件的主要定位面為C面、D面，因此主要夾緊力應該作用在工件的A面或B面，而A面為加工面，固夾緊力選擇施加在B面上。夾緊力的作用方向應盡量與切削力、工件重力方向一致，以減小所需夾緊力，工件鉆孔時的切削力方向向下，因此夾緊力的方向應該豎直向下。夾緊裝置選用轉角油缸來實現工件的自動夾緊，分別在工件的兩側各設置一個轉角油缸。自動找正結構在對工件進行自動找正的過程中已經對工件的側面進行了夾緊，從而工件被完全夾緊了，如圖5所示。

圖5　夾具的裝配圖

2.3.2夾緊力的計算

根據工件的材料和刀具的型號，通過查《金屬切削機床夾具設計手冊》表3-73可知銑平面時的切削力的計算公式為:

其中D為刀具直徑，ap為銑削深度，af為每齒進給量，為銑削寬度，Z為銑刀齒數。

由于D=100mm，αf=0.04mm，αp=4mm，αw=80mm，Z=8，則F=762.8N。

通過查《金屬切削機床夾具設計手冊》表3-71可知鉆孔時的切削力和切削轉矩的計算公式為:

F=410D1.2f0.7Kp,M=120D2.2f0.8Kp

其中D為刀具直徑，f為每轉進給量，Kp為修正系數。

由于D=26mm，f=0.25mm，Kp=0.95，則切削力F=6903.1N，M=48775.1N·mm。

由于工件豎直方向的夾緊力的方向為豎直向下，與鉆孔時工件受到的切削力方向一致，因此兩個轉角油缸只需施加較小的夾緊力來防止工件加工時產生的震動。工件水平方向受到的力為銑削時產生的切削力和鉆孔時產生的轉矩，即理論夾緊力F0=F銑+M/d，其中d為孔的軸線到夾緊位置的距離。根據上面算出的切削力大小可以得出：

F0=762.8+48775.1/110=1206.2N

實際夾緊力F=F0K，其中K=K0K1K2K3K4K5K6，通過查《金屬切削機床夾具設計手冊》3·1·2，各個因素所需的安全系數分別取如下值，K0=1.5，K1=1.2，K2=1.5，K3=1.2，K4=1.0，K5=1.0，K6=1.5，則K=4.86。

F=4.86×1206.2=5862.1N

因此夾具側面的夾緊力為5862.1N，在實際生產過程中，可以根據實際零件加工的效果，適當的調整夾緊力的大小，以便零件的加工質量達到最優。

2.4夾具體的設計

夾具體是夾具的基礎部件，夾具的各個部分都安裝在夾具體上。夾具體的形狀和尺寸要求取決于夾具各個裝置布置情況和工件的外廓尺寸等。本夾具的夾具體如圖6所示，夾具體安裝在基腳上，通過基腳將夾具安裝到機床上。

圖6　夾具體

夾具的自動找正結構使用了3個液壓缸，夾緊裝置使用了2個轉角油缸，輔助支撐使用了兩個油箱，因此需要設計各個油缸的進出油路。夾具體的油路如圖7所示，圖中1、3分別為自動找正結構的三個液壓油缸的進出油路，2為液壓鎖緊輔助支承的油路，4、5分別為夾緊結構中兩個轉角油缸的進出油路，6、7分別為轉角油缸油路的堵頭。

圖7　夾具體油路

3生產與應用

目前，夾具已經用于實際生產，夾具如圖8所示。本夾具能夠實現零件的加工且加工后的工件尺寸在允許的誤差范圍內，滿足零件的生產要求。本零件要求每天至少生產100件(按每天24h計算)，則生產一件的時間為14.4min，因此每道工序的生產時間(包含工件搬運的時間)不能超過14.4min。實際生產中本道工序所需的時間為11.65min，小于每道工序最大耗時14.4min，滿足產量要求。

圖8　夾具

4總結

通過對零件的零件圖和毛坯進行分析，擬定了該零件的加工工藝，根據第一道工序的要求設計了使用夜壓夾緊，能夠實現自動找正的自動夾具。該夾具的設計思路，特別是自動找正結構對其它同類零件有借鑒意義。生產實踐表明，夾具滿足工件的加工精度和產量要求。

[參考文獻]

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[8] 浦林祥.金屬切削機床夾具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1995．

(編輯趙蓉)

Design of Hydraulic Automatic Fixture for Brake Box Parts

YE Han1, GUO Ying-zhi1, LIU Hua2, JIANG Tao2, DAI Lin2, ZHANG Jun2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,China;2.Jiangxi Just Numerical Control Technology Co., Ltd, Jiangxi 330009,China)

Abstract：According to the structure and automatic machining requirement of the wind power yaw brake box parts, the machining process of the part which conform the requirements of the production conditions and requirements is proposed, and the machine tool fixture of the first process is designed. The box parts is complex structure and there are many surface and hole need to machine. Focusing on these problems, this paper was a reasonable choice of the positioning scheme, and designed the structure of automatic search to achieve automatic search for right place of the workpiece in order to reduce the positioning error caused by the clamping of the workpiece. At the same time, it was used corner cylinder to realize automatic clamping of the workpiece. At present, the fixture has been applied in practical production. It was meet the requirement of the dimension accuracy of the parts and the production requirements of the automatic production line.

Key words：automatic production line; box parts; fixture design; automatic search

文章編號：1001-2265(2016)05-0147-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.040

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-08-27

作者簡介：葉寒(1976—)，男，江西進賢人，南昌大學副教授，研究領域為制造自動化，(E-mail)nuaayehan@163.com。

中圖分類號：TH16;TG65

文獻標識碼：A