數控加工中心鉆攻異型散熱器夾具的設計

楊東，陳本茁，2，朱玉斌

（1.江蘇師范大學，江蘇 徐州221116 ；2.國立韓巴大學，韓國 大田34158）

1 問題的提出

數控加工夾具是數控CNC機械制造加工過程中用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以滿足加工工藝條件、迅速、方便、安全地安裝工件的裝置。夾具通常由定位元件、夾緊裝置、對刀引導元件、分度裝置、連接元件及夾具體等組成[1]。

圖1所示零件是應用于系列礦用防爆電器產品上的鋁合金材料的散熱器，需要在三角異型結構的散熱器的軸向兩個平面上對多個螺紋孔鉆孔、攻絲。其加工工序雖然簡單，適合大批量生產，但散熱器長寬比比值大,軸向尺寸長，形位公差和零件加工后的互換性等方面要求較高。另外，在三角體底面上分布多條很薄的扇熱翅非常不利于工件的夾緊和定位。

圖1 工件結構示意圖

如使用傳統的鉆模在臺式鉆床上加工此工件，由于鉆孔和攻絲兩工序分別加工，工件需反復多次安裝，重復定位精度低，鉆孔精度和尺寸不易控制，攻絲時絲錐常折斷，造成工件廢品率增高，加工效率低，質量不能滿足產品工藝技術要求。

為解決加工圖1所示工件的上述難題，設計應用在數控加工中心機床上的專用夾具。其設計理念是：1）在數控加工中心上零件成組加工可大幅度提高生產效率，工序相對集中可提高工件的加工精度，滿足工件互換性要求，夾具設計時要在一次定位裝夾中可同時加工完成多個工件，減少工件安裝次數；2）必須保證工件定位準確，符合工件工藝技術要求，以確保工件加工質量；3）要求夾緊裝置安全、可靠，且操作方便。

2 設計內容

2.1 工件的定位選擇

圖1所示工件為鋁合金材質的擠壓件，其截面呈三角形體結構，三角體的底面上分布數個條形扇熱翅3，下部是頂角為108°的三角形狀的實體基座，形成兩個基面A平面和B平面，兩個基面A平面和B平面上需分別布設數十個垂直于平面的幾何尺寸相同的M5螺紋孔4。由于A平面和B平面不在一個平面上，且零件兩端端面與工件中心的垂直度要求較高。工件要求各螺紋孔4垂直中心軸線需與兩平面A、B互相垂直，且水平軸線與平面A、B的中心軸線重合。

螺紋孔4的功能是固定需與散熱器連接的其他零部件，并保證此部件與散熱器軸線平行，不得歪斜并確保平面貼合。因此加工此工件上的M5螺紋孔4時其裝夾、選擇定位基準較困難。

另外此工件的軸向尺寸長，鋁合金材質強度和剛度較低，裝夾方式選擇不當就會造成工件變形和形位公差超差，導致廢品率增加。由于圖1所示零件生產批量大，立式數控加工中心具有加工精度高和生產效率高的特點，大批量生產成本低，選擇該類機床是加工的首選。

加工中心是一種功能較全的數控加工機床，設計應用在加工中心上的夾具時，除考慮工件在夾具中的定位外，還要考慮夾具在機床上的各個方向的定位參考基準和便于工件編程零點的確定。

工件在夾具中的定位實質是限制它在夾具中空間位置的6個方向的自由度（稱之為六點定位原理），使工件在夾具上正確定位，便于對工件的夾緊，保證工件加工質量要求[1]。

圖1所示零件中，因加工位置是在A平面和B平面上垂直加工數個相同幾何尺寸的螺紋孔4，按照定位原則，選擇零件的扇熱翅3的底平面作為工件的定位基準面。A平面和B平面與扇熱翅3的底平面并不在一個水平面內，呈互為36°的夾角。如加工螺紋孔4，就必須使A、B兩平面傾轉一個角度（即36°）使之與機床工作臺面（扇熱翅3底平面）平行即可。

2.2 專用夾具的結構設計

圖2～圖4所示為專用夾具結構示意圖，分別由軸體1、右定位盤2、左定位盤13、左五面體15、左卡箍14、右卡箍20、鎖緊螺母6等組成。

圖2 夾具結構示意圖

軸體1是夾具的主體，工件的定位元件15、21設置在軸體1的兩端，呈正五面體形狀結構（如圖2、圖3），工件扇熱翅3（如圖1）的底平面與五面體的其中一個面貼合，作為工件Z向的基本定位基準。在正五面體的每一個面上放置一個工件，便可一次同時裝夾5個工件進行加工。

圖3 夾具結構A向視圖

左定位盤13（如圖2、圖3），是限制工件X方向的自由度和Y方向的自由度的定位基準元件，工件左端分別插入左定位盤13內的凹槽22內（如圖3），即對工件進行了X、Y方向的自由度限制。左定位盤13的中心位置加工一五邊形孔，套裝在左五面體15上作為左定位盤13在夾具體上的定位，通過固定盤12 上的兩個定位銷9 定位后，再用螺釘11緊固在固定盤12上。

由于該工件軸向長度尺寸較長，只對其一端的自由度限制不足以保證工件的定位精度。在夾具的右端設計了右定位盤2，當工件在左端定位后，右端的右定位盤2起到對工件右端的自由度進行定位限制作用（如圖2、圖4）。

右定位盤2有著與左定位盤13同樣結構的定位凹槽23（如圖4），通過螺母6的緊固力的作用自動插入到定位凹槽23內。位于右定位盤2的中心圓孔與軸體1右端定位階臺5間隙配合，作為右定位盤2在軸體1上的同軸定位。

實際應用中發現，當工件左端面與左定位盤13的端面貼合定位后，工件的右端會存在軸向長度的誤差，此誤差的存在不適合軸向剛性鎖緊固定。為克服這個問題，在右定位盤2內分別設計對應工件右端面的5個彈性銷4。旋動螺母6，右定位盤2會沿著定位階臺5滑動，彈性銷4端面與工件端面接觸，螺母6的壓緊力使壓縮彈簧3壓縮，彈簧3的作用力會對工件起到軸向輔助定位和輔助軸向夾緊的作用，確保工件左端面定位準確并方便工件的安裝和拆卸。

上述結構的實現，解決了工件在夾具中的X、Y方向的準確定位和Z向的負方向定位。為確保工件在加工中定位穩定、可靠，還需設置對工件的+Z方向進行限制，即夾具的夾緊固定裝置[2]。

由于圖1所示工件是鋁合金材料，加工工序只是鉆孔和攻絲且僅為M5的內螺紋，因此加工中所產生的切削力較小，對工件的夾緊力要求不大。因夾具設計初衷是一次可裝夾5個工件，又分布在五面體的圓周面上，因此選用結構簡單、操作方便的卡箍式夾緊機構[3]。

從夾具結構示意圖（如圖2～圖4）中看出，在夾具的兩端分別設置左卡箍14和右卡箍20?？ü拷Y構如圖5所示，由上箍18、下箍17、銷軸19組成，銷軸19與焊接在圖2所示中右定位盤2、左定位盤13上的銷軸螺母30螺紋配合，形成卡箍鉸鏈式連接，實現上卡箍1和下卡箍2開、合動作。夾具兩端的左、右兩個卡箍的結構相同（如圖5），在緊固工件時，上箍圈1與下箍圈2合攏后，旋動緊固螺釘8即可分別對工件的兩端進行夾緊固定。

夾具左端固定盤12上的對刀臺16（如圖2）的功能是：1）確保夾具安裝在機床上通過調整找正，使對刀臺16的平面與機床工作臺平行，即確保工件上的需加工的A平面或B平面與機床平行。2）也是數控加工時的刀具各移動軸的對刀基準。

圖4 夾具結構B向視圖

2.3 夾具和工件的安裝與實際應用

夾具在制造加工并檢驗合格后，按順序進行夾具組裝（如圖6）。首先把左定位盤13與固定盤12定位組裝，2個定位銷9分別插入固定盤12上的2個銷孔進行準確定位，分別將3個固定螺釘11旋入固定盤12上的3個螺紋孔后緊固，使固定盤12和左定位盤13正確定位連為一體。彈性銷4插入銷套29，右定位盤2套裝在定位階臺5上。

圖5 卡箍結構示意圖

圖6 夾具及工件組裝示意圖

把左卡箍13、右卡箍2分別裝在夾具左右兩端各自位置，銷軸19旋入銷軸螺母30并調整好合適間隙，確保上、下卡箍開合靈活。

按圖6所示安裝位置，將A、B、C、D、E 5個工件分別插入左定位盤13內的5個凹槽22內，并確保與工件的各定位面貼合，與夾具兩端的五面體15、21的平面定位貼合。

裝入螺母6，旋動螺母6使右定位盤移動，彈性銷端面與工件端面接觸彈簧受壓縮后產生對工件右端面的輔助壓緊力。把左卡箍13、右卡箍2的上、下卡箍合攏后旋動鎖緊螺釘8、27對工件進行夾緊，即完成夾具和工件的組裝。

圖1所示工件的鉆孔攻絲加工，選擇在帶有數控分度頭和尾座的VMC四軸數控加工中心機床上。分度頭的三爪卡盤1夾持夾具左端的軸頭位置（如圖7），尾座頂尖2頂入夾具右端面中心孔。然后利用夾具左端固定盤12上的對刀臺16的平面找正夾具（如圖6），確保對刀臺16與機床工作臺平面基準重合，同時也是數控分度頭0°調整的基準位置。夾具在機床上安裝正確并對工件可靠夾緊后，調整夾具與各刀具之間不能產生相互干涉，即可對工件進行加工。

工件加工完畢后不需拆卸夾具，只是把夾具左、右兩個卡箍上的鎖緊螺釘8、27松開（如圖6），打開卡箍，旋松螺母6使右定位盤2沿定位階臺5滑動后移，即可分別輕松取下工件。

數控分度頭（即加工中心的A軸）每轉過72°，即可使工件需加工的A、B平面（如圖6）平行于機床工作臺，可同時對工件的2個面上的螺紋孔進行加工，依次轉至一周即可把工件面上的全部螺紋孔加工完成。數控編程時只需把數控分度頭A軸需轉過的旋轉度數輸入程序段即可。

3 結 論

應用在數控加工中心上加工異型散熱器工件設計的專用夾具具有以下顯著特點：1）夾具應用在數控機床上采用了工件成組加工和工序集中的方式，提高了工件加工質量，從根本上滿足了工件的互換性要求，特別適合大批量工件的生產。夾具設計合理、結構緊湊、定位準確，有效解決了異型散熱器工件裝夾難題。2）工件安裝操作簡單、方便、高效，夾緊裝置設計牢固、安全可靠，滿足了工件加工工藝要求。3）夾具設計方便于制造加工，五面體定位結構合理、定位準確，一次裝夾可同時加工多個工件，降低了工件安裝定位誤差，減少了工件裝夾的次數，節省了加工輔助準備時間，實現了工序集中，降低了加工成本，大幅度提高了生產效率。

圖7 夾具應用示意圖