基于寶雞TECH-V11D五軸加工中心機床五軸夾具設計的研究

梁宇明 賴輝

摘要：隨著先進機械制造技術的發展，五軸加工應用越來越廣泛。五軸夾具作為五軸加工中心機床的重要組成部分，關系著產品的加工質量。文章詳細介紹了基于寶雞TECH-V11D五軸加工中心五軸夾具的設計思路、設計原理和步驟。通過對圓棒料、方形料和粗加工毛坯五軸夾具裝夾的多次切削實驗，驗證五軸夾具設計滿足實際生產要求。

Abstract： With the development of advanced machinery manufacturing technology， five-axis machining is more and more widely used. As an important part of the five-axis machining center machine tool， the five-axis fixture is related to the processing quality of the product. The article introduces in detail the design ideas， design principles and steps of the five-axis fixture based on the Baoji TECH-V11D five-axis machining center. Through multiple cutting experiments of five-axis fixture clamping for round bars， square materials and rough machining blanks， it is verified that the five-axis fixture design meets the actual production requirements.

關鍵詞：五軸夾具設計;五軸加工中心;通用夾具;夾緊設計

Key words： five-axis fixture design;five-axis machining center;general fixture;clamping design

中圖分類號：TH162;TG65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0079-02

0 ?引言

現代機械加工制造日新月異，科技更新換代層出不窮，尤其是以五軸加工技術為代表的先進制造技術。隨著我國經濟的發展和社會的進步，我國的五軸加工中心技術也在不斷發展，對于五軸加工中心而言，其是一種精密度相對較高的加工設備[1]。五軸加工中心的加工具有高速、高精度、加工曲面復雜等特點，五軸加工中心的夾具在高精加工中發揮了至關重要的作用，對整個加工零件質量有直接的影響，它關系到加工中定位的準確性，從而影響加工產品的加工精度。

1 ?夾具設計背景

本文所設計的五軸夾具是基于寶雞TECH-V11D五軸加工中心機床，該機床主軸轉速為12000rmp，A軸旋轉角度為±110°，切削速度可達2000mm/min，重復定位精度0.005mm，帶有五軸刀尖跟隨功能（RTCP）。

但該五軸機床的五軸夾具為高精度三爪卡盤，三爪卡盤體積較大，外形尺寸為Φ250×80mm。五軸機床在三軸加工的基礎上增加了兩個旋轉軸，大尺寸的三爪卡盤通用夾具在夾緊中小型坯料加工時，機床在A軸旋轉90°開粗加工時，刀柄極易與三爪卡盤的卡爪發生干涉和碰撞，而主軸容易和三爪卡盤的底盤發生干涉和碰撞，造成重大事故。

這時設計一個用于裝夾中小型坯料的五軸通用夾具成了迫切的需要。這個通用夾具應按照在高精度三爪卡盤上，平時不用拆卸，用于裝夾中小型的坯料;加工大型坯料時，也可以從三爪卡盤上拆卸下來，直接用三爪卡盤裝夾，方便實用。

2 ?五軸夾具設計思路

夾具的設計要求：第一，加工效率高，盡可能使加工刀具軌跡簡單化，優先采用三軸聯動加工;第二，可有效坯料在加工過程中的顫動，保證表面沒有明顯顫紋，確保加工完成后粗糙度值符合設計要求;第三，夾具體的剛性好[3]。

寶雞TECH-V11D五軸加工中心機床加工的坯料主要為圓棒料和方形料，也有部分為了提高利用率在三軸機床上粗加工過的毛坯料。加工坯料形狀的多樣性，特別是已粗加工過的毛坯，能夠裝夾的部分較少，且加工時毛坯離三爪卡盤很近，三爪卡盤與刀柄或主軸頭極易產生干涉而碰撞。因此我們設計的五軸夾具必須滿足通用夾具的定位和夾緊這兩個基本要求外，還必須滿足夾緊的坯料與三爪卡盤保持一定的安全距離，防止產生干涉碰撞等危險。

3 ?五軸夾具設計的原理及步驟

定位設計和夾緊設計是整個設計中的重點和難點，定位設計需要遵循著簡單性原則，過于復雜的設計反而會降低定位的準確性，進而影響工件加工的精準度。夾緊設計則是要保證剛度高和穩定性強的原則，前者是為了避免夾具自身出現損壞，后者則是為了避免加工過程中，工件脫落或者變形的情況發生[2]。

3.1 夾緊設計

如果坯料在裝夾在夾具后，加工中坯料發生晃動現象，會導致工件的精準度大幅度下降，出現工件變形或者損壞的現象發生。下面進行具體的分析研究，主要有以下幾點：第一，夾具夾緊需要根據實際情況進行考慮，要保證夾緊坯料在每個加工步驟時，不會出現工件的晃動，要保證工件始終緊緊的固定在夾緊機構中。第二，我們在進行夾緊機構的設計工作時，需要遵循以夾具的零件機構保證簡單性的原則。

夾緊機構設計主要目的是為了五軸機床在高速切削時，產生的切削力不影響加工坯料的定位，不偏移、不脫落，保證零件的加工精度。加工坯料形狀多樣性，且要求坯料與三爪卡盤保持一定的安全距離，我們考慮采用五軸夾具與加工坯料間的夾緊方式采用螺絲擰緊的方法。如圖1所示，三爪卡盤1通過夾緊五軸夾具底座3上的帶有三個定位平面圓柱進行固定，五軸夾具底座3通過三顆M8×35螺釘2與定位板5螺紋孔擰緊進行連接，定位板5通過四顆M5×25螺釘2與坯料6的螺紋孔擰緊進行連接。該方案不但夾具的夾緊力大，牢固可靠，還可以減少加工坯料中用于裝夾的余料。

3.2 定位設計

加工坯料形狀多樣性，且尺寸大小不一，如果定位板定位孔設計單一，將導致小坯料夾不了，大坯料夾不緊的情況產生。因此，將定位板設計成活動式的快換板，主要由兩塊定位板組成。如圖2所示，1號定位板為方形定位板，供中大型加工坯料的定位使用。如圖3所示，2號定位板為圓型定位板，供小型加工坯料的定位使用，增大其高度是因為小坯料加工所用刀具較小，刀長較短，增大安全距離防止刀具與夾具底座干涉而碰撞。定位板上分布了大小不一的定位孔，根據加工坯料具體尺寸選擇不同大小的四個定位孔使用。底面還分布了三個螺紋孔，通過M8螺絲與夾具底座擰緊。

如圖4所示，夾具底座的定位圓柱上分布了三個精銑過的圓柱定位平面2與高精度三爪卡盤的卡爪定位平面3進行定位配合，夾具底座下底面1與三爪卡盤的卡爪頂面進行定位配合，保證夾具的垂直度和平面度。當安裝后夾具底座后，利用高轉速的大尺寸銑刀對夾具底座上頂面5進行精銑平面，保證夾具頂面的平面度。如圖5所示，安裝夾具底座3在高精度三爪卡盤4后，一般情況下都不再拆卸，裝拆坯料1只需拆裝夾具底座3上的定位板2即可。

4 ?驗證

我們分別用Φ30mm至Φ120mm圓棒坯料和30mm×30mm至120mm×120mm方形坯料進行了十幾次的切削加工試驗。切削過程中，加工坯料定位準確，無偏移，無發生切削顫抖，無脫落等情況發生，刀具與主軸在A軸±110°切削時，仍與三爪卡盤保留安全距離，無干涉碰撞等情況出現。切削完成后，加工精度符合加工要求。經過多方面綜合分析，該五軸夾具的設計完全符合設計目標要求，可以應用到實際生產中。

5 ?結束語

該五軸夾具設計，很好地滿足了寶雞TECH-V11D五軸加工中心機床的實際加工需求，適用于各類型和尺寸的圓棒形、方形及開粗后的坯料的裝夾，定位準確，牢固可靠，有效地避免了刀柄、刀具、主軸與三爪卡盤發生干涉和碰撞，同時也節省了用于定位與夾緊的余料，達到了預期的效果，值得在實際生產中進行推廣使用。

參考文獻：

[1]宮敏利.五軸加工中心夾具設計探討[J].內燃機與配件，2019（14）：125-126.

[2]閆濤.五軸加工中心夾具設計探討[J].科學技術創新，2019（07）：141-142.

[3]李峰虎，秦建斌，李衛平.自適應液壓夾具的設計與應用[J].現代工業經濟和信息化，2017，7（11）：50-51，53.

[4]張競龍.五軸加工輪胎模專用夾具的設計[J].南方農機，2016，47（05）：85-86.

[5]王玉君，王海東.圓銑葉片汽道夾具設計[J].機械工程師，2016（05）：239-240.

課題項目：2019年第二批中國高校產學研創新基金-新一代信息技術創新項目《VR技術在高職院校多軸數控加工教學中應用研究》項目論文（課題編號：2019ITA02007）。

作者簡介：梁宇明（1981-），男，廣東茂名人，碩士學位，主要研究方向為3D打印、多軸加工。