數控加工中夾具設計對零件加工精度的影響

仲陽

（廣東省嶺南工商第一技師學院，廣東 廣州 510800）

0 引言

在實際進行數量較大零件的加工過程中，比如汽車發動機的一些零部件，箱體類零件，大多都會使用一面兩銷式的定位夾具，通過數控中心進行控制加工，從而確保加工零件精度符合要求，而且提高了整體的加工效率[1-2]。但是在實際制造一面兩銷夾具的過程中，若是不結合數控加工技術本身所具有的特點進行建造工作，很容易影響到加工零件的整體質量，降低了零件的合格率。本文對在進行零件加工過程中出現的問題進行了系統的總結和分析，并且針對這些問題提出了相應的解決措施。

1 數控加工夾具設計中影響零件精度的主要問題

（1）選用夾具的確定。根據其設計零件的樣式、設計方法不同，所用到的夾具也有很大區別，如何選定適合所設計零件的夾具，成為了零件加工過程是夠合適、零件質量是否合格的重要標準。工作人員應當對所設計加工的零件有充分的了解，根據其設計加工標準選擇合適的夾具樣式，再對夾具進行設計加工[3]。夾具的設計應當滿足零件的定位、剛性條件等需求。若夾具樣式不能滿足零件的加工需求，則會增加零件加工過程中的難度以及耗時量，更加有可能使設計出的零件不能滿足所需標準。同樣，在夾具的設計加工過程中，還應當考慮到數控機床的尺寸和運行方式，使設計的夾具可以滿足數控機床的安裝要求。保證其零件的初始坐標系和機床坐標系的尺寸、相互位置等條件符合標準[4]。

（2）夾具定位條件。在數控加工過程中，其定位對零件加工質量、精度有較大的影響。機床坐標系與加工零件坐標系應當保證其一致性，以及盡量使坐標系之間進行較為簡單的轉換，以保證加工過程中產生較少的紕漏。工作人員應當通過零件加工所需的坐標系，將其和數控機床的坐標系調整至一致，根據其坐標系原點和方向的定位，從而設計夾具的定位坐標。根據零件和機床的坐標準確定位夾具的安裝坐標，從而對夾具進行準確安裝。通常零件在夾具中采用六點定位原則，即確定其六個自由度。加工通常零件時，都可以使用該方法，可以保證零件較為精確的加工。因此，這對夾具的設計以及其定位方式提出了很高的需求，必須根據所加工零件自身的特點，以選擇夾具上的定位點。如果夾具上的定位點選取不合適，則會導致零件加工過程中的困難增加，同時有可能造成零件的精度下降甚至不能滿足零件標準[5]。

（3）夾具剛性條件。夾具設計的剛性指標同樣是零件精度、指標是否滿足的重要條件，由于所加工零件的剛度不同，其剛性需求不同，因此，應當根據所加工零件的剛性條件以設計家具的剛性條件。如果夾具的剛性條件不能滿足其加工零件的剛度需求，則會造成零件在加工過程中容易產生變形而導致其加工精度不夠。在數控機床實際加工零件的過程中，加工同一種零件的不同工序時，經常會使用同一種夾具。因此，工作人員在設計其夾具時，應當考慮到零件在不同工序下的剛性需求，應當按照最大的剛性需求設計夾具，從而使其滿足零件的整個加工過程。

（4）夾具的通用性。作為零件加工過程中的輔助裝置，通常一種夾具的設計應當滿足特征相近、樣式類似的多種零件的使用需求。夾具更換問題是數控機床工作過程中的一個常見問題，在對同系列同尺寸的工件進行加工的過程中，設計者需要從夾具的通用性特征入手對夾具進行設計，以便讓夾具的更換頻率得到有效降低[6]。在夾具的更換過程中，工作人員也需要對夾具的過盈量進行嚴格控制。

2 夾具設計過程影響零件精度的問題實例及改進

2.1 零件加工中出現的問題

針對前文中敘述的夾具設計中所應關注的一些問題，通過實例對數控加工中夾具設計對所加工零件的影響對其進行具體分析。圖1為某零件的主要結構工程圖，具體為某型汽車發動機進氣門的中部大孔以及相鄰兩個軸承孔。其中部大孔的制造標準為D38.015±0.015，其軸承孔的加工標準為D14±0.015 0.01之間。并且，其中部大孔（D38.015±0.015）和軸承孔（D14±0.015 0.01）軸線之間的位置關系有比較高的精度需求，具體為0.025。

圖1 某零件的主要結構工程圖Fig. 1 The main structural engineering drawings of a part

在其加工過程中，采用一面兩銷的方式加工中部大孔（D38.015±0.015）和軸承孔（D14±0.015 0.01）。即處理中部大孔（D38.015±0.015）的中心和兩個軸承孔（D14±0.015 0.01）軸線的對稱度加工時，加工中部大孔（D38.015±0.015）以及其底面所有的安裝孔之后，將底面作為安裝平面，將底面的兩個孔（即圖1中的A孔和B孔）作為定位銷，采用氣動夾緊。以圖中D32鎂合金壓鑄件的坯料孔D30進行X軸、Y軸方向對刀，建立X軸、Y軸加工坐標系的原點,銑加工一側軸承孔（D14±0.015 0.01）以及其它孔，再通過夾具帶動工件整體翻轉定位銑加工另一側軸承孔（D14±0.015 0.01）以及其它孔[7]。

但是在該零件的這種加工過程中，出現了一些不合理的加工過程以及夾具的不合理定位問題。在夾具定位零件的過程中，一面兩銷的定位方式存在一些問題，將底面作為安裝平面，將底面的兩個孔（即圖1中的A孔和B孔）作為定位銷，但是底面兩個孔相對于中部大孔不對稱，其兩孔之間中心線和中部大孔的中心線相距較大。這種不對稱現象容易造成加工過程中，所加工零件繞中心點產生微小轉動，從而不能保證其加工精度，對零件質量造成較大的影響。同時，由于定位銷和定位孔之間存在一定的間隙，以及操作人員在實際定位過程中可能會存在一定的操作誤差，則更加容易造成其零件加工過程中產生小角度翻轉或是移動，從而使夾具定位出現偏差，造成零件質量的下降[8]。另一方面，在確定建立加工坐標系時，對刀位置的選擇不科學。與上述的定位夾緊一樣，由于對刀無法直接通過，也就無法找出X 方向中大孔（D38.015±0.015）的中心位置，轉而在壓鑄坯料孔（D10.01）上對刀，從而找出對刀中心在 X 軸上的位置。由于零件的相對理想位置發生一小部分的傾斜，在對刀中心處對軸承孔（D14±0.015 0.01）進行加工，導致其軸線相對大孔（D38.015±0.015）的中心產生對稱度誤差。

此外，應當考慮到零件的剛性特征，根據所加工零件的剛性條件以設計家具的剛性條件。如果此夾具的剛性條件不能滿足該中心孔的剛度需求，則會造成該零件在加工過程中容易產生變形而導致其加工精度不夠。工作人員在設計其夾具時，應當考慮到該零件在粗加工以及精細加工兩種不同工序下的剛性需求，應當按照最大的剛性需求設計夾具，從而使其滿足零件的整個加工過程。同時應當考慮夾具的通用性，由于一面兩銷的定位方式非常常用，應當設計符合這種條件下的通用夾具，即符合定位孔直徑的通用銷，從而減少夾具的額外設計，提升零件加工的效率[9]。

2.2 針對零件加工中出現問題的解決措施

通過上述的分析，可以得出該零件的加工過程中存在較大的問題是夾具設計的定位位置不夠好，不能滿足定位的誤差，其設計基準和標準不符，以及其夾具的剛性需求需要額外考慮。根據出現的問題，應當提出一些改進措施，提高該零件的加工質量。首先，應當對其兩個定位銷進行優化改進，之前所設計的定位位置為底面的兩個孔（即圖1中的A孔和B孔），A孔和B孔的中心線距離中部大孔（D38.015±0.015）的中心線位置較遠，因此，應當將A孔定位改為C孔定位。定位方式為定位銷B和圓錐定位銷C，通過重新調整其兩銷的定位位置，使得定位銷的中心線位置與中部大孔（D38.015±0.015）的中心線位置較為一致，從而有效避免了由于中心線位置偏差導致的零件在加工過程中的微小轉動，提升零件的加工精度[10]。其次，對其對刀中心進行改進，在之前確定建立加工坐標系時，對刀位置的選擇不科學，無法直接通過，同時無法找出 X 方向中大孔（D38.015±0.015）的中心位置，轉而在壓鑄坯料孔（D10.01）上對刀，從而找出的對刀中心存在一定的偏差。經過改進，以D38.015大孔的定位小錐度圓錐銷C外側進行對刀,找其中心作為X方向的對刀中心,使加工工藝基準（對刀中心）與設計基準重合。經過重新設計的夾具,由于定位基準、工藝基準、設計基準三基準的重合,消除了原理性的誤差,影響圖中對稱度精度的只有小錐度（底部）圓錐銷C與夾具配合圓孔的配合間隙,因小錐度圓錐銷C與夾具配合圓孔的配合間隙控制在一定的范圍，減小該間隙對加工精度的影響。經過多次批量檢測,最終使兩個軸承孔（D14±0.015 0.01）軸線與大孔（D38.015±0.015）中心的對稱度誤差控制在所規定的誤差標準以內,使產品合格率大幅提高。

3 結論

通過實際對零件加工工作的分析和總結可知，在實際進行數據加工工作的過程中，相應工件的夾具設計和對刀位置對直接影響到加工零件的品質。因此需要相應技術加工人員在進行數控加工的過程中，需要明確的了解設計基準、定位基準和工藝基準之間的關系，確保在實際進行夾具設計工作的過程中讓這三者進行科學的協調配合，有效提高加工零件的精確度和生產效率。從而有效的存進數控加工技術的不斷發展和進步。