一種基于斜楔夾緊原理的氣動夾具設(shè)計

謝華貴

摘要：本文以大批量生產(chǎn)為工藝規(guī)劃的前提條件，充分考慮零件加工工序的特點(diǎn)及要求，充分利用現(xiàn)有的條件設(shè)計新款氣動夾具，把新引進(jìn)的VMC850加工中心設(shè)備的性能發(fā)揮到極致。經(jīng)實(shí)踐證明，應(yīng)用該型斜楔夾緊氣動夾具，極大地縮減生產(chǎn)周期，生產(chǎn)效率提升愈一倍，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益的同時，贏得客戶的充分信任。

關(guān)鍵詞：斜楔夾緊;氣動夾具;加工中心

0? 引言

某企業(yè)承接加急訂單，要求在兩個月時間內(nèi)交付十萬個閥體端蓋零件。設(shè)計部門對車間產(chǎn)能展開排查，現(xiàn)階段的產(chǎn)能狀況和工藝能力無法滿足訂單需要，月產(chǎn)量不足四萬件，若再考慮優(yōu)良品率，遠(yuǎn)不足此數(shù)。

技術(shù)部門提出相應(yīng)建議：生產(chǎn)車間的集中供氣改造工程即將進(jìn)入驗(yàn)收階段，新引進(jìn)的兩臺加工中心設(shè)備已安裝調(diào)試，可設(shè)計并制作專用的氣動夾具，零件經(jīng)一次裝夾，即可完成所有工序，既可節(jié)省輔助工時、同時有效改善定位和加工的精度，提高成品率，從而最終完成訂單。

1? 零件加工工序分析

該零件是某款新型氣動產(chǎn)品的端蓋零件，材料為鋁合金。銑、鉆工序的坯料已經(jīng)前道工序進(jìn)行初步處理，其主要尺寸及平行度、垂直度等形位公差符合技術(shù)要求，如圖1所示。

綜合考慮零件尺寸及形位要求，加工中心設(shè)備性能以及加工效率、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，制定加工工藝方案。見表1。

2? 氣動夾具設(shè)計原理方案分析

端蓋零件需經(jīng)鉆、攻絲和銑削加工等多道工序，為減少零件的裝夾次數(shù)，故采用專用氣動夾具系統(tǒng)，一次裝夾，加工多件零件的工藝方案。同時，該夾具系統(tǒng)還要求具備裝拆簡便，定位精度高，夾緊力輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2.1 氣動夾具定位形式

該氣動夾具采用三面定位為設(shè)計核心理念。機(jī)用虎鉗裝夾，僅能限制三個自由度，底部加裝定位短板后，還可限制Z軸移動以及Y軸轉(zhuǎn)動兩個自由度。本方案增設(shè)曲尺型定位底板，利用曲尺橫面的短擋板限制零件X軸移動自由度，即可實(shí)現(xiàn)限制六個自由度的完全定位。

2.2 氣動夾具設(shè)計優(yōu)化方案

在定位底板尾部加裝定位側(cè)板，通過側(cè)板內(nèi)彈簧復(fù)位的活塞頂桿支撐零件，避免零件Y軸和X軸方向偏移。車間實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，曲尺型定位底板的定位方案，具有操作簡便，定位穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

2.3 夾具定位誤差分析

基于零件尺寸及形位精度要求等因素，定位誤差、安裝調(diào)整誤差及加工誤差等三項(xiàng)誤差合成后應(yīng)不大于零件公差？啄，為簡化分析流程可將公差？啄三等分。夾具定位方案以平面為基準(zhǔn)，定位底板的平面度高，則夾具的定位誤差主要為基準(zhǔn)不重合誤差引起。若零件加工后尺寸A±？駐A，考慮定位誤差則變?yōu)锳±？駐A±？駐H，基準(zhǔn)不重合誤差為？駐定=？駐不=2？駐H，零件尺寸18±0.1，？駐定=0.3，推算出？駐H=0.015。制作夾具時，定位底板以底面為基準(zhǔn)的高度，其制作標(biāo)準(zhǔn)可保證零件高度H±0.015;以側(cè)面為基準(zhǔn)的橫擋板厚度L±0.015，則可保證零件鍵槽及各類型孔的定位精度，從而實(shí)現(xiàn)零件的精確定位。

3? 氣動夾具的設(shè)計、制作及裝配工藝分析

本文把夾具底板、定位底板、定位側(cè)板（機(jī)構(gòu)）統(tǒng)合為夾具主體，而將彈片、斜楔夾緊裝置及拉力氣缸等歸納為氣動夾具的動力機(jī)構(gòu)，本章節(jié)主要分析夾具主體部分。

3.1 夾具底板的設(shè)計和制作要求

夾具底板屬于氣動夾具的結(jié)構(gòu)件，材料#45，裁切坯料厚度為15mm。在普通設(shè)備銑削各面，使底板的線性尺寸以及平行度、垂直度等形位公差滿足設(shè)計要求;在平面磨床上磨削頂?shù)锥姹ＷC以獲得較高的平整度;繼而把夾具底板安裝于加工中心設(shè)備上，在正面處及底面，分別加工各夾具元件及拉力氣缸的安裝螺紋孔;當(dāng)夾具的加工流程完成后，方進(jìn)行熱處理和發(fā)藍(lán)處理，即可保證其精度及性能，同時避免銹蝕。

本設(shè)計方案，每個斜楔夾緊組共需安裝定位底板、定位側(cè)板、彈簧片各兩件，斜楔壓塊及拉力氣缸各一件，另還需安裝兩枚斜楔行程調(diào)整螺栓。在底板制作過程中，需預(yù)制上述夾具元件的安裝螺紋孔和定位銷孔。為簡化制作過程，安裝螺紋孔均統(tǒng)一選用M6-6H設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);氣缸安裝處預(yù)留？覫20通孔，無需精制;定位孔與定位銷的配合公差為？覫5H7/K6，以滿足無損傷的組裝和拆分要求。

3.2 定位底板的制作工藝方案

該款氣動夾具采用三面定位，而夾具的主要定位元件為定位底板。該元件呈曲尺狀凹形，具體尺寸公差要求已討論，不再贅述，見圖2。

定位底板的設(shè)計、制作和安裝的精度要求均較高，普通設(shè)備及磨床設(shè)備初步處理。后使用重復(fù)定位精度高、反向間隙誤差小的加工中心對曲尺型面進(jìn)行精制，刀具必須具高圓柱度及成形精度，并檢測刀擺，以在加工過程中保證各曲尺型面之間的垂直度、曲尺底面與定位底板設(shè)計基準(zhǔn)之間的平行度、曲尺側(cè)面與定位底板側(cè)基面之間的平行度。

3.3 定位側(cè)板機(jī)構(gòu)的制作工藝分析

3.3.1 定位側(cè)板設(shè)計功能及制作要求

如前所述，定位側(cè)板內(nèi)有活塞頂桿、六角螺紋端蓋以及復(fù)位彈簧，故可稱之為定位側(cè)板機(jī)構(gòu)。定位側(cè)板機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵功能，由活塞頂桿的伸縮活動實(shí)現(xiàn)。定位側(cè)板的側(cè)基面上應(yīng)預(yù)制？覫10（深26mm）/？覫7（通）的臺階孔，為減少摩擦需保證孔壁的表面粗糙度。因設(shè)計方案需要，側(cè)板機(jī)構(gòu)組裝后，用特制圓頭M6X1-30牙螺釘固定于夾具底板。如圖3所示。

3.3.2 伸縮活動機(jī)構(gòu)的工作機(jī)制及具體要求

伸縮活動部組件見圖4，活塞頂桿支撐零件的定位穩(wěn)定性，六角螺紋端蓋起限位和封閉作用。當(dāng)零件頂住活塞頂桿端部進(jìn)行安裝時，活塞尾部和端蓋之間的復(fù)位彈簧因被壓縮而產(chǎn)生復(fù)位力，限制零件移動。當(dāng)取出零件后，彈簧復(fù)位，推送活塞回程。

整個活動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡約，制作難度低，工作穩(wěn)定性強(qiáng)。活塞和端蓋材質(zhì)為黃銅，尺寸精度僅限于滿足組裝要求。為延緩活塞磨損程度，活塞尾端切槽處套O型密封圈;端蓋受力較小，主體部分車削M12X1細(xì)牙螺紋即可。

3.3.3 彈簧復(fù)位力的計算分析

活塞頂桿回復(fù)運(yùn)動的動力源于定位側(cè)板內(nèi)復(fù)位彈簧，也是頂桿行程的限位元件。復(fù)位彈簧復(fù)位力應(yīng)大小適中，本案采用表2公式計算彈簧復(fù)位力。

彈簧每伸縮1mm即產(chǎn)生0.308千克力，換算3.02N，本案預(yù)設(shè)彈簧最大壓縮壓縮量4mm，彈簧工作部產(chǎn)生最大復(fù)位力為12.07N。

活塞頂桿體積為952.843mm3，黃銅密度為86000kg/m3，銅鋁金屬摩擦系數(shù)0.3。所產(chǎn)生的約12N彈簧復(fù)位推力則足以推動不足10克的活塞頂桿進(jìn)行摩擦移動。

3.4 氣動夾具主體的安裝要求及分析

本案在設(shè)計過程中聽取技術(shù)人員意見，針對單向走刀路線規(guī)劃，進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化工作：每組夾緊單元的兩個定位底板和定位側(cè)板為對稱布局，組內(nèi)同類定位元件鏡像對稱，即定位底板和定位側(cè)板應(yīng)有兩種結(jié)構(gòu)。如圖5所示。

氣動夾具主體的夾具底板和定位元件獨(dú)立制作，定位底板的制作精良程度以及安裝精準(zhǔn)程度直接影響零件的加工質(zhì)量。為保證所裝夾零件的定位精度，原則上要求裝配前先配鉆。定位底板在上、夾具底板在下，定位底板預(yù)先在夾具底板上按預(yù)定的間隔距離調(diào)整位置，嚴(yán)格調(diào)整和控制定位底板側(cè)基面與夾具底板側(cè)基面兩個方向的平行度、定位底板側(cè)基面與夾具底板基面的垂直度，由上至下鉆？覫5H7定位孔并鉸孔處理。上方的定位底板材料CR12MOV硬度高于下方的夾具底板#45鋼材，符合工藝要求。夾具安裝時預(yù)先在夾具底板的？覫5H7定位孔處安裝定位銷，校正定位底板的安裝定位誤差，既保證孔的對直，同時降低裝配操作難度。

4? 氣動夾具的夾緊機(jī)構(gòu)原理及制作工藝分析

該款氣動夾具的夾緊機(jī)構(gòu)主要由U形彈片、斜楔夾緊裝置和拉力氣缸組成，本章節(jié)對其工作原理和制作工藝進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1 夾緊原理分析

零件安裝后定位后，啟動拉力氣缸，斜楔隨之下降，壓逼不銹鋼U型彈片產(chǎn)生形變，頂住零件側(cè)面并施加夾緊力;當(dāng)完成整個工序流程后，氣缸復(fù)位推動斜楔上行，彈片因自身的變形復(fù)位力回復(fù)原狀，夾緊狀態(tài)解除;斜楔行程下限可通過安裝在夾具底板的兩枚M6螺栓進(jìn)行調(diào)整。

4.2 夾緊力核算

夾緊力核算是氣動夾具設(shè)計方案的量化分析環(huán)節(jié)，所施加的夾緊力過大則易造成彈片金屬疲勞;過小則不能保證零件的夾緊，產(chǎn)生振動，影響零件的品質(zhì)。此外，夾緊力的量化工作，為確定彈片尺寸規(guī)格、匹配拉力氣缸、空壓站氣壓控制等相關(guān)工作提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

4.2.1 各工序的切削力分析

根據(jù)零件加工工序分析，綜合所查閱的文獻(xiàn)資料，采納以下切削力計算公式，并得出以下結(jié)論，見表3。其中工藝參數(shù)的合理設(shè)置涉及大量的定性和定量分析，本案僅采納生產(chǎn)部門基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況所提供的工藝參數(shù)進(jìn)行切削力核算分析工作，其深層次的辨證分析不作贅述。

綜合上述分析可見，該零件各加工工序，以M10擠壓絲錐攻絲時的徑向切削應(yīng)力最大，達(dá)937N。

4.2.2 彈片復(fù)位力分析

本案的夾緊元件為斜楔所驅(qū)動的彈片，彈片因斜楔壓逼而產(chǎn)生變形，從而夾緊零件，同時緩沖瞬間沖擊或震動，保證加工穩(wěn)定性。夾緊系統(tǒng)所輸出的夾緊力，除了需要克服工序最大切削應(yīng)力外，還需克服彈片因變形而產(chǎn)生的復(fù)位力，基于以表4內(nèi)公式計算彈片復(fù)位力。

斜楔下行過程中，驅(qū)使兩片U型彈片變形而伸出壓緊零件，夾緊輸出機(jī)構(gòu)需克服42N彈片復(fù)位力。

4.2.3 斜楔夾緊機(jī)構(gòu)拉力分析

基于上述分析，斜楔夾緊機(jī)構(gòu)所輸出的夾緊力應(yīng)在克服彈片變形復(fù)位力的前提下，足以抵消切削過程中的切削應(yīng)力，才能使零件的裝夾處于相對平衡狀態(tài)，即夾緊機(jī)構(gòu)所輸出的理論夾緊力不應(yīng)少于979N。

不少研究表明，為提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和夾具可靠性，夾緊力實(shí)際值實(shí)質(zhì)就是在理論值的基礎(chǔ)上賦予一定的權(quán)重，即設(shè)置一個安全系數(shù)。該安全系數(shù)的核定過程如表5。

本設(shè)計采用無移動柱塞式斜楔夾緊方案，每塊斜楔驅(qū)動兩斜楔面，為無潤滑式斜面滑動工作模式，結(jié)構(gòu)簡易，工作穩(wěn)定性高。資料顯示，斜楔機(jī)構(gòu)所需拉力為夾緊力、傳動比和安全系數(shù)的乘積。拉力模型如表6。

即基于生產(chǎn)安全穩(wěn)定等因素考慮，斜楔需產(chǎn)生980N的夾緊力，需要施加764N拉力。

4.3 氣缸壓力計算及氣動控制

4.3.1 拉力氣缸選型

斜楔夾緊機(jī)構(gòu)主要動力元件是拉力氣缸。拉力氣缸的選型主要考慮其輸出拉力值以及拉桿行程，斜楔需要施加不少于770N的拉力。經(jīng)上述分析選定某款內(nèi)牙型單向拉力氣缸。其行程不少于16mm，氣缸直徑32mm，拉桿直徑12mm，M6X0.8內(nèi)牙。經(jīng)核算，該型氣缸的最大拉力如表7。

該款氣缸能輸出98kgf，即961N拉力，完全能滿足工作需要。

4.3.2 斜楔夾具的氣動控制

通過拉力氣缸選型分析，車間空壓站最大能提供0.7MPa高壓氣體，考慮到氣損及功率等因素，核定車間內(nèi)的實(shí)際工作氣壓為0.595。為保護(hù)夾具機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行壓力調(diào)整。根據(jù)上述公式，只需將氣缸進(jìn)氣氣壓調(diào)整為0.6MPa（約6atm）即可。為避免突發(fā)因素影響生產(chǎn)穩(wěn)定性，可安裝單向控制閥以對夾具體系進(jìn)行優(yōu)化，為氣壓回路提供足夠保護(hù)。

5? 總結(jié)

該企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)能排查和技術(shù)調(diào)研后，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的不足和缺陷，充分利用現(xiàn)有的條件，包括具前瞻性的集中供應(yīng)壓縮空氣回路改造工程、大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)豐富的一線員工以及設(shè)計規(guī)劃能力較強(qiáng)的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，把新引進(jìn)的VMC850加工中心設(shè)備的性能發(fā)揮到極致。斜楔夾緊氣動夾具的應(yīng)用，一次夾緊能完成24個零件的加工，平均每小時能生產(chǎn)72件，單臺設(shè)備每天產(chǎn)能不少于1500件，即生產(chǎn)十萬個閥體端蓋僅需33天，生產(chǎn)效率提升愈一倍。

斜楔夾緊氣動夾具設(shè)計和制作項(xiàng)目的順利實(shí)施，有力地保障生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大縮短生產(chǎn)周期，使得企業(yè)能夠在規(guī)定時間內(nèi)交付產(chǎn)品，贏得了客戶的贊許和信任，為企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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