液壓夾具設計方法

劉雄杰

摘? ?要：隨著汽配行業競爭不斷加劇，增能率、降成本成為各廠家引進新型生產線的終極目標。標準加工機搭載專用夾具的方案，成為達成這一目標的有效途徑。液壓夾具是實現高效、批量加工的基礎，本文介紹了液壓夾具的各部分機能及設計要點，介紹了切削力計算的經驗公式，并提出基于人機工程學的夾具設計考量，列出較常用的設計數據，以供參考。

關鍵詞：定位基準? 切削力計算? 設計原則

中圖分類號：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0093-02

隨著汽配行業競爭不斷加劇，增能率，降成本成為各廠家引進新型生產線的終極目標。標準加工機搭載專用夾具的方案，成為達成這一目標的有效途徑。同一型機床，為何生產效率會有巨大差異？除本身的批量化程度、工藝水準以外，夾具自動化與定制程度也尤為重要。只有科學合理的設計夾具，才能發揮設備最大效能。

1? 機床夾具的組成

（1）定位基準;（2）夾緊裝置;（3）對刀裝置;（4）夾具本體;（5）其他元件及裝置。

2? 夾具設計要點

（1）定位基準：基準是確定生產對象幾何要素間關系的點、線、面，在加工中用以定位工件。原則上，定位基準即工件固定基準，以保證加工尺寸的穩定性。通常，基準面會設置ISA氣動位置傳感器，實時檢測工件夾緊情況。對于粗糙的定位面，一般采用間接接觸的定位結構（見圖1），保證氣檢通過率。而對于已加工精細面，多采用帶氣孔的定位面接觸工件（見圖2）。

（2）夾緊裝置：夾緊裝置分固定和夾緊兩部分。固定裝置要結合定位基準與六點定位原則（見圖3），設置固定位置與支撐形式。夾緊裝置多采用液壓杠桿缸、旋轉復動缸進行夾緊，壓點的位置多設置在支撐點幾何中心或靠近中心處。實現工件XYZ方向全約束或XY方向半約束。壓頭多采用球頭浮動、可調、快拆的方式，便于調整與更換。油缸能力的選擇，需根據加工工藝與切削條件計算出最大切削力，從而選定油缸大小與夾緊結構。

切削力計算的經驗公式：

切削參數：進給速度 F（mm/min）、主軸轉速 V（rpm）、刀刃徑 D（mm）、最大接觸刃數Z、切削深度T（mm）、材料系數K（表1）、切削系數β（表1）、孔徑 D（mm）、底孔徑d（mm）、每刃單次進給量（mm） S=F/（V*Z）

根據經驗公式，計算各工序的主切削力，選最大的切削力作為油缸選型的參考依據，考慮到刀具磨損會導致切削力增大，設計中，油缸額定壓力下的夾緊力取計算值的2～3倍。

（3）對刀裝置：為保證作業連貫性，精度穩定性，機床需設置刀檢裝置，檢測斷刀與刀長。常見的對刀裝置分為機械按壓式與激光感應式。機械式效率低，但是精度高，成本低。激光感應式效率高，但成本也較高。設置刀檢吹除回路，采用吹氣的形式，將可能殘留在刀檢面上的鐵屑吹除。

（4）夾具本體：本體設計需充分考慮設備臺面承重，加工范圍，極限行程下是否干涉等問題。夾具本體通過圓銷與設備T型槽定位，T型螺母固定。于排本體多設計有斜坡，便屑。各定位、夾緊機構采用模塊化設計，方便切換和后期改造。夾具油、氣路多采用內部內部回路，減少配管工作，提高夾具可靠性。本體最上方設置兩處精度孔，用以測定夾具定位精度。

（5）其他元件與裝置：要實現夾具的自動化，需追加液壓控制系統和電控回路。油缸的運作要實現閉環控制，多采用機械式位置傳感器或者油壓壓力傳感器確定油缸動作，因為夾具工作環境有鐵屑，切削液，對電磁式位置傳感器存在干擾，應避免采用。對于結構特殊，易形變的工件，需采用二級調壓回路，實現低壓預緊，高壓夾緊的功能。需追加夾具沖洗機構，加工過程沖除殘留鐵屑，并冷卻刀具。

3? 人機工程學要點

（1）設置最佳作業范圍與作業姿勢。工件放置的合理高度（人站立臺面到抓取部位），設計在90～120cm范圍內。放件距離（人站立中心到工件抓取手心）應設置在20～30cm，最大部超過40cm。兩個以上工件，工件之間的直線距離在30～50cm為宜。避免彎腰作業，彎腰幅度小于10°，軀體旋轉在15°～45°之間為宜。（2）人工上料載荷不宜超過最大負重范圍。單手抓起不宜超過0.5kg，單手握取作業不宜超過3kg，雙手握取不大于10kg。如操作重量超過此重量，需考慮機械手或輔助機構上料。（3）減少移動距離和操作動作。合理排布工程，設置中轉臺，減少作業者移動距離和作業負荷。同時，設計自動脫料機構，減少操作動作，降低作業強度、提高效率。（4）設置安全防護與防錯裝置。夾具動作與設備光柵通訊，實現光柵遮蔽時，夾具停止動作，放置意外傷害;夾具設置有單動按鈕的，需要設置雙手控制，并保證雙手按鈕的距離大于20cm。夾具應設計防錯機構，通過限位或者導向的設置，實現放錯工件設備無法加工的功能。（5）夾具應便于切替、保養、修理、清理。對于多工件共用夾具，應方便切替，多采用更換夾爪方式實現。同時，定位基準與油缸組件采用模塊化設計，通過定位銷定位。單個模塊重量應小于20kg，以便于更換。夾具構造應實現設備外部的拆卸與組裝，同時，各油、氣路應集約設置，并銘板標識，便于檢修。需要替換或易損的部品在顯眼處刻印標識，方便更換。夾具應減少溝槽結構設計，且溝槽寬度不小于30mm，防止鐵屑堆積，便于清理。

以上，對于夾具設計通用的要點進行簡單介紹。針對不同設備、加工件，對于夾具設計會提出新的要求。但是夾具自動化、模塊化的發展方向是明確的，通用機床改造所帶來的效率提升是顯著的，機床夾具行業的前景是光明的。

參考文獻

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