加工中心夾具的液壓系統設計缺陷和改進

張　璐

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

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加工中心夾具的液壓系統設計缺陷和改進

張璐

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

加工中心的重新組線改造時給機床增加新的夾具，完成新產品的加工過程。介紹了供應商實施機床改造項目中夾具的液壓系統設計，分析了夾具的工作原理及其液壓控制方式的不合理之處，闡述了缺陷設計改進的方案，解決了夾具的液壓系統設計缺陷，使產品加工的穩定性得到了保障。

液壓夾具；工件定位和夾緊；夾具故障；缺陷改進

某品牌臥式加工中心在我公司用于雙離合器變速箱閥體類工件的機加工，該型號機床共9臺分布于閥體區域的電磁閥加工線(SB)、執行器加工線(AB)和閥體加工線(VB)的OP10工位，機床全部為二手進口經國外供應商改造集成，機床的液壓夾具也由該供應商設計制造。在產品批量生產中，設備缺陷逐一體現，對加工質量帶來一定影響，其中夾具的設計缺陷尤為突出。

1　夾具缺陷的描述

液壓夾具外觀如圖1所示。1臺機床備有2個夾具，每個夾具可裝夾2個工件，每個夾具的組成元件相同，工件水平安裝，手工操作工件的上下料，液壓控制夾具執行元件的動作。據生產現場人員描述，夾具的主要問題為執行元件的動作順序不正確。在工件夾緊時，夾具輔助支撐的頂出先于壓板油缸的夾緊動作，造成工件在夾緊后彎曲變形，加工完畢，工件經放松后彈性形變復原，經測量，銑削的平面度超差；工件在上料時，裝夾偏出的情況時常發生，造成加工時刀具的嚴重損壞；加工完畢，工件放松時經常被輔助支撐頂出，從夾具上掉落。操作人員曾采取更換輔助支撐中的彈簧、將輔助支撐油缸安裝位置整體后移等方法，但效果不甚理想，夾具的缺陷急需維修部門解決。

2　夾具工作原理及缺陷的分析

以AB線夾具為例進行分析，如圖2所示。SB線、VB線加工產品的定位夾緊方式及夾具執行元件與AB線夾具類似。

2.1定位及夾緊

2.1.1工件的定位

平面3點的定位限制了工件的Z向移動、X軸轉動、Y軸轉動；夾具的X方向具有1個限位，Y方向具有2個限位，限制了工件的X向移動、Y向移動和Z軸轉動，X方向和Y方向分別具有1個定位油缸，將工件推向夾具上X方向和Y方向的限位。工件的6個自由度被完全限制。

2.1.2工件的夾緊

平面3點的定位處各有一個壓板油缸，用于工件的夾緊。為防止加工時工件變形及減小振動，夾具上備有4個輔助支撐。因工件水平安裝，為防止工件在安裝時掉落，X向和Y向分別裝有一個彈簧夾緊組件。

2.2夾具的液壓控制

該夾具屬OP10工位，作為機加工的頭道工序，工件采用毛坯面定位，與后道工序的定位方式不同(后道工序常采用一面兩銷定位)，通常在OP10夾具上使用定位油缸將工件推至限位的方式定位，更為關鍵的是定位油缸與起夾緊作用的壓板油缸的動作順序具有OP10工位夾具的特殊性：執行工件夾緊時，先執行壓板油缸的動作，待工件被壓板夾緊后將壓板油缸的工作壓力卸至低壓，執行定位油缸的推出動作，對工件進行定位，待定位油缸動作完畢，再將壓板油缸重新獲得工件夾緊所需的工作壓力，如此順序，目的在于避免先執行定位油缸動作易造成工件變形導致無法正確的定位。夾具體背面的液壓管路元件布局如圖3所示。該夾具使用了3個流體通道，分別稱之為Lu、Spa、Loe。Lu通道在該夾具上用于氣壓監測壓板油缸的夾緊動作是否執行完畢。工件夾緊時Spa進油，Loe回油；工件放松時Loe進油，Spa回油。通道Spa、Loe的液壓油進出切換由機床夾具流體面板上的一個三位四通電磁閥控制。

根據管路、執行元件及機床的夾具流體面板，筆者繪制了液壓原理圖，如圖4所示。

2.3夾具液壓控制方式的缺陷分析

結合液壓原理簡圖分析，該夾具的液壓控制方式設計不合理。

(1) 夾具上所有執行元件的動作使用同一組疊加式液壓閥控制，從液壓閥引出的管路連接至夾具的Spa和Loe通道，該設計方式使得壓板油缸與定位油缸在工件夾緊時無法實現先后的動作順序，無法完成壓板油缸動作完畢后先卸壓再增壓的切換過程。定位油缸與壓板油缸同時動作，易造成工件變形，定位失敗，甚至出現工件直接被定位油缸頂出、工件裝夾偏出，造成加工時平面銑刀損壞。

(2) 夾具輔助支撐的動作通常設計為在工件完全定位夾緊之后。該夾具試圖通過單向節流閥限制輔助支撐的進油量，延緩其動作，使輔助支撐頂出慢于壓板油缸與定位油缸的動作。但實際上除非節流閥完全關死，只要稍稍打開，油液就會進入輔助支撐油缸，又因輔助支撐油缸內部的油液容腔體積小，只需少量液壓油即可使其彈出。該設計造成夾緊工件時，輔助支撐先于壓板油缸的動作，工件被輔助支撐頂出，無法正確平面定位，并且在輔助支撐與壓板的相反作用力下彎曲變形，影響加工質量。

(3) 工件放松時，由于執行元件使用同一流體通道Spa回油，定位油缸縮回、壓板油缸松開工件和輔助支撐退回的動作同時進行，容易出現壓板油缸和定位油缸的回油油液短時間內在輔助支撐油缸的管路中形成背壓，使輔助支撐發生前沖的情況，工件被輔助支撐頂出，從夾具上掉落。

(4) 由于使用同一組液壓閥控制，定位油缸的工作壓力等于工件夾緊用壓板油缸的工作壓力。從設計角度來說，如果工件定位的推動力過大，易造成工件變形，影響加工質量。因此兩種執行元件的控制壓力需單獨控制。

(5) 輔助支撐管路上的減壓閥應該取消。輔助支撐的結構如圖5所示，工作過程如下：液壓油推動活塞桿運動，輔助支撐油缸內部的彈簧1被壓縮，同時支撐桿在活塞桿前部彈簧2的帶動下隨活塞桿向前運動，支撐桿接觸工件后，活塞桿繼續運動直到油缸的行程終點，活塞桿前部的彈簧2被壓縮，液壓油不能直接作用在工件上，作用在工件上的力是彈簧2形變產生的力。液壓油繼續進入輔助支撐油缸，通過其內部的漲緊套將支撐桿牢牢抱死，起到支撐工件薄弱部位、防止加工振動的作用。進入輔助支撐的液壓油壓力越高，輔助支撐桿抱牢的程度就越高，抗振的效果就越好。當輔助支撐內的液壓油泄去，活塞在彈簧1形變復原的作用下回到原位，支撐桿退回到初始位置。

3　夾具液壓控制方式的改進

對夾具的液壓控制方式進行修改：增加液壓控制閥組，修改夾具液壓元件，重新布置液壓管路，增加夾具流體通道的使用。改進后的夾具液壓原理圖如圖6所示。

改進后，工件夾緊時壓板油缸與定位油缸的壓力油路已分開，通道Spa壓力油用于工件夾緊時壓板油缸的動作以及卸壓與加壓的切換，定位油缸與輔助支撐的壓力油路共同使用增加的流體通道Z。在輔助支撐油缸的管路上增加管式順序閥，確保輔助支撐的頂出在工件完全定位與夾緊之后。輔助支撐油缸的管路上不再使用減壓閥，輔助支撐的工作壓力提高，在工件加工時的抗振效果增強。使用減壓閥對定位油缸的工作壓力進行減壓，工件定位的推動力因此可以調節。Loe通道用于工件放松時定位油缸與壓板油缸的壓力油進入。

機床夾具流體面板上，在已有液壓閥組1的基礎上，增加液壓閥組2和3，液壓疊加閥的選用見圖6。液壓閥組1引出的管路仍然連接至夾具的Spa、Loe通道，液壓閥組2的引出管路通過三通并聯于液壓閥組1的Spa通道油路，當液壓閥組2電磁閥線圈得電，Spa通道的壓力油將卸荷至液壓閥組2上溢流閥的調定壓力，實現對壓板油缸在工件夾緊動作完畢后、定位油缸動作前的卸壓。液壓閥組3的引出油路連接至夾具的Z通道，為工件夾緊時定位油缸、輔助支撐的動作提供液壓油。

工件夾緊與放松時，各液壓閥組電磁閥線圈的得失電切換及先后順序通過修改編制機床的PLC程序實現，工件夾緊時壓板油缸與定位油缸的先后動作順序、壓板油缸的卸壓與加壓、工件放松時輔助支撐與壓板油缸先后的動作順序得以實現。夾緊與放松的壓力反饋由裝于液壓閥組油路板上的壓力繼電器提供。各壓力控制閥的調定壓力如圖6中所示。

工件夾緊時各電磁閥及執行元件的動作順序：液壓閥組1的電磁線圈a得電→壓板油缸動作→工件夾緊動作完畢后壓力繼電器1的信號狀態0變1→液壓閥組2的電磁線圈b得電→壓板油缸卸壓→壓力繼電器1的信號狀態1變0→2 s后液壓閥組3的電磁線圈a得電→定位油缸動作，管路壓力上升至順序閥打開后輔助支撐頂出→壓力繼電器3的信號狀態0變1→液壓閥組2的電磁線圈b失電→壓板油缸加壓→壓力繼電器1的信號狀態0變1，夾緊動作完畢。

工件放松時各電磁閥及執行元件的動作順序：液壓閥組3的電磁線圈b得電→輔助支撐油缸與定位油缸泄壓，輔助支撐回退→壓力繼電器3的信號狀態1變0→液壓閥組1的電磁線圈b得電→壓板油缸放松工件，定位油缸活塞桿退回→壓力繼電器1的信號狀態1變0，壓力繼電器2的信號狀態0變1，放松動作完畢。

4　結語

夾具經過改進后，實現了工件夾緊和放松時執行元件正確的動作順序，因工件彎曲變形引起的工藝偏差、工件裝偏造成的報廢、工件加工完畢后的掉落情況未再發生，產品加工質量的穩定性得以保證。該改進方式已推廣至閥體加工區域SB線、AB線、VB線9臺加工中心的18個液壓夾具，夾具的液壓設計缺陷得到解決。

[1]馮克俊.加工中心的改造再利用[J].汽車制造業,2009(13):32-33.

[2]薛源順.機床夾具設計[M].北京:機械工業出版社,2011.

[3]盧光賢.機床液壓傳動與控制[M].西安:西北工業大學出版社,2006.

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Design defect analysis and improvement of fixture hydraulic system on machining center

ZHANG Lu

(Shanghai Automobile Gear Works Co., Ltd., Shanghai 201807, CHN)

CNC machine retooling is a process of adding new fixtures to machines for completing new products manufacturing. This paper introduces the designing fixtures hydraulic system in a machine retooling project carried out by suppliers, analyses the working principles of the fixture and defects in its ways of hydraulic control, elaborates the solution for defects design and improvement, and resolves the designing defects of the fixtures hydraulic system in order to guarantee stable processing quality for the products.

hydraulic fixture; workpiece positioning and clamping; fixture failure; defect improvement

TG757

A

張璐，男，1981年生，工學學士，工程師，主要從事制造設備的機械維修技術工作。

(編輯孫德茂)(2015-12-15)

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