基于金屬切削加工中氣動夾具的設計

練浩琦，趙忠玉

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

1 背景及意義

近幾年，隨著加工制造業高速切削技術的發展，勞動生產率大大提高，使夾具與機床之間的結合處越加緊密，夾具成為了機床的重要組成部分，這也是機械加工單重不可缺少的設備工藝。由于氣動夾具的操作較為方面，其勞動強度也大幅度下降；機械的啟動反應速度較快，減少許多設備輔助時間，使生產效率得到提高。所以，氣動夾具容易實現機床的自動化操作。氣動夾具多適用于高精度機床的精密加工及各種現代化制造技術的新型機床夾具[1]。

2 總體設計

通過對機床加工中實際調研和采集相應的設計數據，在對金屬切削加工、金屬切削機床、機床機械設備離你那對以及液壓的啟動傳動相關知識要全面掌握，并分析計算出金屬切屑加工過程機床工作臺驅動、工作夾等方面的數據，結合機械液壓氣動傳動知識，合理設計氣壓傳動方案并擬定氣壓原理圖，完成驅動裝置、夾緊裝置的設計，來完成啟動元件的設計，并選擇傳動系統的驗算，從而達到氣動夾具最為優秀的設計[2]。如圖1所示是一普通車床夾具。

氣動夾具的設計，氣壓傳動元件的設計是關鍵，而氣缸是以壓縮空氣為動力使驅動機構作直線往復運動。本夾具采用氣壓驅動，使用的是壓力為0.5MPa，最高可達1 Mpa。這個氣動夾具具有二個夾取和卸料運動和一個旋轉運動自由度，用于將待加工物料夾取到機床夾具卡盤上，并將加工完成的工件自動卸料。夾具的全部動作由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制，整個夾具在工作中能實現夾緊、松開、正反旋轉180°功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手爪夾具。氣缸A、B分別完成A爪手、B爪手的夾緊、松開運動，轉動是通過擺動氣缸、使軸向止推軸承帶動A、B爪手正反轉，轉動工作行程為0°～180°。夾具夾持部是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調節彈簧的預壓縮量來調整[3]。氣動系統工作原理如圖2所示。

3 氣壓傳動技術

氣壓的傳動方式主要以壓縮空氣為主要工作原理，并利用此原理來實現能量傳遞控制，這主要包括控制技術和傳動技術兩方面。氣壓傳動主要由氣源、氣動執行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成。氣動執行元件主要包括氣缸和氣動馬達，就是把壓縮機提供壓縮氣體的壓力能轉換成機械能，驅動工作零件。氣動控制閥主要有壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別用來調節氣流的壓力、方向和流量。氣動輔件由分水濾氣器、油霧器、消聲器、聯接件等，分別用來凈化空氣、改善空氣潤滑性、消音降噪、聯接管子[4]。

4 氣壓傳動系統組成

4.1 氣源裝置及輔件

氣源裝置由空壓機、凈化存儲設備、氣動三聯件組成。輔件主要有自動排水器、消聲器、緩沖器等，輔件可以完成向氣壓傳動系統輸送潔凈的壓縮空氣。

4.2 執行元件

執行元件得作用就是將壓縮空氣的壓力能轉化為機械能，氣缸作為氣壓傳動系統的主要執行元件，輸入流量和壓力，輸出力和速度，直接驅動機構作直線往復運動。

4.3 控制元件

氣壓傳動系統中一般采用電磁閥雙向換接，可以實現換向簡單，氣體回路簡單，便于統一安裝，由于氣缸垂直安裝，并采用進氣節流，提高了缸內的緩沖結構的換向平穩性。

4.4 氣壓傳動系統的工作原理

氣壓傳動系統能夠在高溫、腐蝕、易燃、易爆、強磁、輻射、震動、多灰塵等極其惡劣的環境下安全、可靠地工作，強電電路與繼電器、弱電電路與單片機相結合，從而實現了機床加工生產的機械化和自動化。目前，越來越多的機械加工設備都由氣壓傳動實現控制和驅動，所以其應用范圍越來越廣泛。同時，壓縮空氣的可壓縮性大、粘性較小，柔性驅動機構易于構造，傳動系統易于實現高速運動。隨著自動控制技術的發展和新型氣動驅動閥的開發利用，氣動驅動控制系統的性能和精度得到了顯著提高。本氣動夾具的設計，對于氣壓傳動控制系統的要求不是很高，所以采用了具有“雙穩”邏輯功能的二位五通換向閥雙作用氣缸的換向回路。如圖3所示。

利用單片機連接電磁閥，通過控制電磁閥的吸合來控制氣動執行機構作相應的開閥或關閥動作。兩位五通電磁閥，兩位指的是兩個工作位置，五口是指一個進氣口，兩個排氣口，兩個工作口。當按下4時，兩位五通換向閥2的左腔輸入控制氣壓信號，左位處于工作狀態，雙作用氣壓缸活塞桿將向外伸出；當松開4時，兩位五通換向閥2的左腔沒有控制氣壓信號，同時按下5，兩位五通換向閥2右位處于工作狀態，雙作用氣壓缸活塞桿將快退。所以，該換向回路具有“雙穩”的邏輯功能。

5 工件在夾具中的定位

工件定位采用六點規則原理，六個支撐點合理分布，限制工件的六個自由度，以保證工件在夾具中的位置。在實際生產，具有一定形狀的幾何體起支承點作用，工件的自由度由定位元件來限制。限制工件自由度與工件加工要求的主要關系，如圖4所示。當工件被定位時，如果加工要求受到影響，自由度必須受到限制。如果加工要求的自由度不受影響，則根據加工情況，可以限制也可以不限制。工件的六自由度完全受限，定位為完全定位，如能保證加工要求，而小于六個自由度被限制的工件的定位就是不完全定位。因此，在特殊情況下，工件定位時，還可以采用不完全定位的方法，如：加工時通過孔或槽，沿穿過軸線的自由位置不受限制：當毛坯為軸對稱時，其繞對稱軸的自由度不受限制。在加工穿透面時，除了沿兩個穿透軸的位置自由外，垂直加工面繞軸的角度自由度不受限制。

6 其它元件的選擇和設計

夾具主要是設計工件的定位和夾緊，但還要設計夾具在機床上的定位，以及夾具體的設計等問題。通常夾具體采用焊接結構，并用兩個肋板提高夾具體的剛度，其結構緊湊、制造周期短。夾具體主要由盤、板和套等組成。在夾具體上設置一個校正套，以便心軸使夾具與機床主軸對定。夾具采用不帶止口的過渡盤，所以通用性好。

7 總結

本夾具設計中其執行結構需要使用旋轉氣缸，來滿足氣動夾具的性能要求。對夾具的結構采用模塊化設計方案進行夾具結構設計，針對各模塊來選擇合適的氣動元件，并設計相應的機械導向裝置。根據工作條件變化的需求，來增減或更換相應的模塊。金屬切削機床的夾具三維建模的需要，機床驅動，工件夾緊和其他問題，氣動夾具必須提高效率的設計，快速夾緊裝置，從而實現金屬加工機床的半自動控制驅動，工件夾緊。