恒力夾持裝置設計及磨削實驗研究

邵 娟，霍文國

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

現代加工中夾具既是工裝設備的主要組成部分也是機械制造技術中重要的組成部分。夾具在保證加工質量，提高生產率，減輕勞動強度，擴大機床使用范圍，縮短產品制作周期等等領域都具有一定的意義。目前夾具技術朝著高精密、高效率、模塊化、組合化、通用性、經濟性的方向上發展。

本文研究的目的在于配合現當代先進的制造技術，對切削過程中的磨削機理有一個以實驗為基礎的專業性研究，為磨削力與磨損機制的關系研究提供實驗裝置。在CBN涂層內冷卻砂輪的恒力磨削實驗中，必須有一個配套的夾具，這個夾具要實現恒力裝夾以及在磨削過程中實現測力。因此，設計一套恒力磨削實驗系統是至關重要的。本文開展了基于普通銑床、測力儀等恒力磨削實驗夾具裝置設計、制造和實驗研究。

1.恒力磨拋實驗方案設計

本實驗裝置的目的是為鈦合金用工件磨削時獲得正確的位置。整個恒力系統是由壓縮彈簧來實現的，考慮到工件與砂輪位置調整，設計了由活動擋板組成的可移動裝置，磨削時恒力的大小可由固定擋板上的手柄來調節，恒力磨削實驗系統的總體設計結構如圖1所示。

圖1 恒力磨削實驗系統示意圖

2.夾持機構的設計

夾持機構在恒力磨削實驗系統裝置設計中是重要的組成部分，一個夾具性能的優劣性主要以夾持部位評定的，夾持機構的設計是否巧妙直接決定加工效率或機床的使用范圍。夾持機構決定了夾具在生產制造時的難易程度，設計時結構簡單，可靠性高，可降低生產成本，使生產周期變短。從設計的工作量來看夾持機構至關重要。夾持機構設計主要要考慮夾緊力的大小、方向、作用點等。一般夾持機構需滿足以下要求：

一是在磨削時由于夾持力使夾具和工件的變形量不能超過允許范圍；

二是定位的準確性和可靠性不能因夾緊力的大小而變化；

三是實驗在普通銑床完成有一定的振動和沖擊，在夾持是必須保證其防松功能，保證夾持機構有一定的強度與剛度；

四是夾持機構必須方便快捷，自動化程度高，提高加工效率；

五是夾持機構要符合操作人員的習慣，省力，安全。

機床上磨削加工時具有一定的振動和沖擊，因此夾具必須保證有防松功能，保證夾持機構有一定的強度與剛度。磨削實驗中砂輪主要受到法向力的影響，在設計時X方向尺寸加大保證足夠的強度和剛度，也可使工件裝卡時工件背面與夾持卡槽底面相貼合，以夾持卡槽底面為定位基準，保證基準重合，避免定位基準與設計基準不重合而引起的定位誤差。

3.恒力夾具裝配設計

在本實驗系統中被磨削的鈦合金是通過夾具進行安裝的。結構分為底板、軌道、滑塊、夾頭、活動擋板、固定擋板等組成。恒力實現方法是由壓縮彈簧來實現的，為在磨削過程中法向受力Fx最大，所以在X軸方向上由彈簧的壓縮來實現恒力磨削，在Y軸方向上可快速的裝夾工件。夾具設計三維結構如圖2所示，裝配中的聯接關系都采用標準螺栓，恒力磨削實驗系統裝置有四部分組成，分別是裝夾裝置，恒力實現裝置，恒力調節裝置，固定裝置。

圖2 恒力磨削實驗系統裝置裝配示意圖

4.恒力夾具制作

夾具用鋁合金材料制造，由底板、擋板、夾持部分、恒力裝置、移動裝置等組成。將夾具體與測力儀相連接裝于工件夾在前端夾頭上用于固定，在工件磨削時用線徑為1.5mm的彈簧給工件實現恒力，根據彈簧系數、彈簧的形變差值可以求出恒力的大小。當磨削力大于設定的恒力時彈簧變形使工件夾頭向后移動實現恒力磨削，若恒力太大可以用移動裝置后的手柄來調節。與測力儀連接時由于夾頭的重力原因測力儀會受力影響實驗數據，因此在底板設計有間距為25mm的孔，可以隨意調節測力儀前后的位置，達到準確的測力方位。制備出的恒力夾具裝置如圖3所示。

圖3 恒力磨削實驗夾具

圖4 恒力磨削測試裝置

5.恒力磨拋試驗方案

恒力磨拋實驗采用SZ-1800v型立式銑床、恒力夾具和測力儀等共同組成。機床轉速選擇n=1800r/min和n=3600r/min，恒力夾持夾具彈簧系數選擇進給速度vw=100mm/min，磨削工件為TC4合金材料，彈簧彈性系數選擇為0.3N/mm。將夾具直接裝卡于機床虎鉗上，在夾緊之前利用百分表找正，沿x方向找正當表頭在某一數值變化微小時為x已經確定，然后找正豎值方向，用同樣的方法找正。調節工作臺使被測件與砂輪正對。夾具和砂輪在同一平面上。恒力磨削實驗系統的夾具整體裝配圖如4所示。

本次實驗采用的是Kistler9265B動態三向測力儀，設備如圖5所示，在使用軟件前把電子加密狗插入到計算機USB口，設置好各參數。測力儀輸出的信號采用與測力儀相匹配的Kistler9265B電荷放大器放大傳入采集卡在輸入到計算機，測力儀測定的力信號轉化為電信號，并由放大器放大后由數據采集卡采集并存入計算機內，用DynoWare軟件數據處理。

圖5 動態三向測力儀

6.實驗結果分析

編制的實驗表格如表1所示，在整個實驗過程中按照設定參數進行。根據彈簧的彈性系數等參數計算出彈簧產生的恒力，并根據實驗需要調整恒力磨削實驗裝置的法向磨削力。彈簧的彈性系數k與彈簧的線徑、彈簧的直徑、彈簧壓縮圈、彈簧的材料有關。測力實驗數據如表1所示。

表1 恒力磨削實驗條件

實驗結果表明，整個磨削過程中砂輪所受的力隨時間的變化關系，Fx為砂輪法向力，隨著時間而增大；Fy為砂輪的切向力，在磨削過程中變化不明顯，在磨削時切向力對工件的力比較小；Fz在整個磨削過程中沒有變化，在磨削時工件不受Fz方向的力。