基于金屬切削加工中氣動夾具的設(shè)計

練浩琦，趙忠玉

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

1 背景及意義

近幾年，隨著加工制造業(yè)高速切削技術(shù)的發(fā)展，勞動生產(chǎn)率大大提高，使夾具與機床之間的結(jié)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(shè)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(yīng)速度較快，減少許多設(shè)備輔助時間，使生產(chǎn)效率得到提高。所以，氣動夾具容易實現(xiàn)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(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機床夾具[1]。

2 總體設(shè)計

通過對機床加工中實際調(diào)研和采集相應(yīng)的設(shè)計數(shù)據(jù)，在對金屬切削加工、金屬切削機床、機床機械設(shè)備離你那對以及液壓的啟動傳動相關(guān)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(qū)動、工作夾等方面的數(shù)據(jù)，結(jié)合機械液壓氣動傳動知識，合理設(shè)計氣壓傳動方案并擬定氣壓原理圖，完成驅(qū)動裝置、夾緊裝置的設(shè)計，來完成啟動元件的設(shè)計，并選擇傳動系統(tǒng)的驗算，從而達到氣動夾具最為優(yōu)秀的設(shè)計[2]。如圖1所示是一普通車床夾具。

氣動夾具的設(shè)計，氣壓傳動元件的設(shè)計是關(guān)鍵，而氣缸是以壓縮空氣為動力使驅(qū)動機構(gòu)作直線往復(fù)運動。本夾具采用氣壓驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個夾具在工作中能實現(xiàn)夾緊、松開、正反旋轉(zhuǎn)180°功能，是目前較為簡單的、應(yīng)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(zhuǎn)動是通過擺動氣缸、使軸向止推軸承帶動A、B爪手正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來調(diào)整[3]。氣動系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

3 氣壓傳動技術(shù)

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(xiàn)能量傳遞控制，這主要包括控制技術(shù)和傳動技術(shù)兩方面。氣壓傳動主要由氣源、氣動執(zhí)行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成。氣動執(zhí)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(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)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(diào)節(jié)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(lián)接件等，分別用來凈化空氣、改善空氣潤滑性、消音降噪、聯(lián)接管子[4]。

4 氣壓傳動系統(tǒng)組成

4.1 氣源裝置及輔件

氣源裝置由空壓機、凈化存儲設(shè)備、氣動三聯(lián)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(tǒng)輸送潔凈的壓縮空氣。

4.2 執(zhí)行元件

執(zhí)行元件得作用就是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，氣缸作為氣壓傳動系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，輸入流量和壓力，輸出力和速度，直接驅(qū)動機構(gòu)作直線往復(fù)運動。

4.3 控制元件

氣壓傳動系統(tǒng)中一般采用電磁閥雙向換接，可以實現(xiàn)換向簡單，氣體回路簡單，便于統(tǒng)一安裝，由于氣缸垂直安裝，并采用進氣節(jié)流，提高了缸內(nèi)的緩沖結(jié)構(gòu)的換向平穩(wěn)性。

4.4 氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理

氣壓傳動系統(tǒng)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(huán)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(jié)合，從而實現(xiàn)了機床加工生產(chǎn)的機械化和自動化。目前，越來越多的機械加工設(shè)備都由氣壓傳動實現(xiàn)控制和驅(qū)動，所以其應(yīng)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(qū)動機構(gòu)易于構(gòu)造，傳動系統(tǒng)易于實現(xiàn)高速運動。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展和新型氣動驅(qū)動閥的開發(fā)利用，氣動驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能和精度得到了顯著提高。本氣動夾具的設(shè)計，對于氣壓傳動控制系統(tǒng)的要求不是很高，所以采用了具有“雙穩(wěn)”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(zhí)行機構(gòu)作相應(yīng)的開閥或關(guān)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(tài)，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(tài)，雙作用氣壓缸活塞桿將快退。所以，該換向回路具有“雙穩(wěn)”的邏輯功能。

5 工件在夾具中的定位

工件定位采用六點規(guī)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(chǎn)，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(guān)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(jù)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(shè)計

夾具主要是設(shè)計工件的定位和夾緊，但還要設(shè)計夾具在機床上的定位，以及夾具體的設(shè)計等問題。通常夾具體采用焊接結(jié)構(gòu)，并用兩個肋板提高夾具體的剛度，其結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)

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