CNC銑床小型、異形零件快速定位夾具設計應用

羅樹宏

愷博座椅機械部件有限公司 上海 201315

1 序言

在切削加工領域，CNC銑床應用廣泛，具有適應性強、能加工復雜輪廓和加工精度高等特點。

如圖1和圖2所示的零件類型，是模具行業常見的沖頭和成型件，需要用CNC銑床加工成型臺階、R角和C角等特征。這些零件的外形均采用慢走絲機床或者磨床精加工過，具有外形尺寸不大，但種類繁多、尺寸規格差異很大、單批次數量少（甚至是單件加工）及切削量和切削力不大的特點，有的零件外形有凸出的“掛臺”特征。

圖1 小尺寸、細長類零件

圖2 異形、難裝夾零件

具有以上特點的零件，用傳統的磁臺吸附或者精密虎鉗裝夾很難，要么容易產生變形，要么校表和找零點時間很長，經常出現裝夾找正時間超過加工時間的狀況；有些根本無法常規裝夾，被迫制作專用夾具。這樣造成機床待機時間長，降低機床稼動率，或者增加專用夾具制作成本。

筆者曾經是一名模具行業的CNC銑床操作人員，工作中要加工大量模具沖頭，或者成型鑲件的R角、C角及成型3D曲面。如果是外形尺寸較大的零件（見圖3），采用磁臺吸附就可以勝任裝夾任務；如果是外形尺寸較小、形狀方正的小工件，大多數可以采用精密虎鉗裝夾，如圖4所示。

圖3 可用磁臺直接吸附類零件

圖4 可用虎鉗裝夾類零件

當遇到圖1所示類型的工件時，雖然精密虎鉗仍可裝夾，但是因為零件外形尺寸很小，消耗在配墊塊、校正平面度或者垂直度及尋邊找零點的時間很長。如果遇到圖2所示工件，精密虎鉗幾乎束手無策，基本上都要制作專用的夾具（見圖5）才能加工。

圖5 配作專用夾具裝夾示例

隨著圖1、圖2所示零件類型在工作中越來越多，操作人員都非常苦惱，不僅勞動強度增加了，而且容易出錯。對于企業來說，使昂貴的數控機床停機，在裝夾找正上浪費了很多時間，產能和利潤都大大降低。

因此，筆者設計了本文所述的夾具，雖然不能適用于所有的工件，但是面對圖1、圖2所示類型零件均可以輕松、快速地完成裝夾。

2 夾具設計

2.1 夾具設計基本思路和原理

回想設計此夾具時的思路，其實還是借鑒和改進了精密虎鉗的裝夾方式。

一般在使用精密虎鉗裝夾小零件時，會在虎鉗側方向鎖一個擋塊，如圖6所示。目的是在X方向精定位，但實際上這種擋塊只能作為粗加工的定位使用，原因是X方向沒有頂緊力，零件與擋塊不確定是否可靠貼合。

特別是圖6所示的細長零件，必須拆下側面擋塊，針對Z軸的垂直度打表校正后，再對X、Y零點精確地尋邊取數，否則很容易造成加工報廢。

圖6 虎鉗輔助X向定位示例

從這個角度思考，想要解決問題，把精密虎鉗改成X、Y方向都能施力，同時，在Z方向增加可調整的定位塊，以適應不同高度尺寸的零件。

圖7所示零件的外形方正，使用一個高精度直角的夾具主體，被加工零件在受到F1、F2的頂緊力后，零件本身的平面會自動貼緊夾具面。

圖7 外形方正零件受力分析

圖8所示零件的外形并不方正，但是可以把Y方向的2個圓弧切線看作一個平面，X方向圓弧線作為一個定位點，在受到F1、F2的頂緊力后，零件也會自動貼緊夾具面。

基于以上基本受力分析，設計了下文所述夾具。

圖8 異形零件受力分析

2.2 夾具設計的細節

設計的夾具如圖9所示，接下來詳細講述夾具各部分。

圖9 夾具

（1）夾具主體與底座 夾具主體的精度決定此夾具在應用時的定位精度，非常重要（見圖10）。

1）通過分析夾具受力狀態，夾具主體應該做成整體（整體結構，不能做成分體）[1]，避免受頂緊力后，夾具主體本身產生變形和位移。

圖10 底座與定位主體

2）主體兩個工作面的垂直度以及與底面的垂直度非常重要，應該控制在0.002mm以內。

3）直角根部必須做清角處理（見圖10的放大圖）[2]。

4）底座與夾具主體采用0間隙或過盈銷釘定位，3×M10螺釘鎖緊，可靠聯接[3]。

5）底座與機床臺面聯接，其外形和聯接螺紋孔位置根據不同機床特別定制。

（2）X、Y方向頂緊部件的活動范圍與配合間隙 如圖11所示。

1）傳力桿導向塊與定位主體間隙控制在0.02mm以內，可以在滑槽內活動，根據不同大小零件和施加頂緊力不同位置來確認位置，位置確定后用傳力桿導向塊鎖緊螺釘輕輕頂住即可，傳力桿導向塊上的方孔與外形的垂直度必須控制在0.01mm以內。

2）X、Y方向傳力桿與傳力桿導向塊方孔的間隙控制在0.005～0.01mm，以確保頂緊力方向基本垂直于定位主體定位面。

3）X、Y方向傳力桿的上表面必須低于定位主體上表面。

圖11 頂緊部件細節

（3）Z軸方向定位部件 如圖12所示。

1）Z方向定位導向塊可快速放入定位主體的兩個方槽，以應對高度相差很大的被加工零件在Z軸的定位調整，其配合間隙控制在0.005mm以內。

2）Z方向可調定位塊設計了高低不同的2種尺寸，與Z方向定位導向塊配合間隙控制在0.01mm以內，并用鎖緊螺釘頂緊齒槽。

圖12 Z軸方向定位部件

（4）頂緊施力機構 如圖13所示。

1）經過實踐驗證，頂緊螺釘采用模具行業通用的12.9級M8螺釘就可以滿足頂緊強度要求[3]。

2）方螺母需要特別制作。

3）X、Y鎖緊手柄中間有通孔，可以穿過六角扳手。因為此夾具針對的加工對象切削力不大，所以一般情況下，用手通過X、Y鎖緊手柄的齒形施加頂緊力就足夠了；切削力較大時，才需要用六角扳手加強擰緊力。

圖13 頂緊施力機構

3 夾具應用展示及使用技巧

圖14是夾具實物的一個應用狀態。

圖14 夾具應用

此夾具在實踐中經過幾次小的更改，解決了行程調整、鎖緊方面的一些小問題，已經成功應用多年。以下將從實際應用的角度，介紹此夾具加工精度控制以及使用技巧，避免大家走彎路。

3.1 夾具加工精度控制

定位主體是精度要求最高的部件，其精度高低決定著夾具本身裝配精度以及被加工零件的定位精度。上表面和底面的平面度要求：平行度＜0.002mm，垂直的定位面與上、下表面的垂直度＜0.003mm；其他導向槽、方孔也需保證0.005mm以內的平行度和垂直度。

材料方面，應盡量選擇強度及穩定性較好的材料，筆者采用的是一勝百ASSAB88，淬火硬度58～60HRC[1]。

加工工藝方面，因為作為定位功能的直角面CD去除余量較大，所以建議熱處理后，先用快走絲粗加工，再去應力回火，最后采用高精度慢走絲機床精割，這樣才能保證夾具垂直度精度和尺寸穩定性。

3.2 必要的附件制作

為了適應被加工零件的不同尺寸及外形輪廓，且有些零件有不同大小的掛臺（見圖1、圖2），需要提前制作圖15所示的各種不同尺寸、長度和厚度的頂桿及側向墊塊，并且制作一個“5S收納盒”以利于操作技術人員提前選用合適的附件，減少準備和停機時間，也利于公司日常的5S管理。

圖15 多種尺寸頂桿、側擋塊及5S定置收納盒

3.3 夾具使用技巧分享

1）X、Y、Z編程零點放置及上機設定：①建議把夾具固定在某一臺機床的專用位置，盡量不要拆（見圖14所示的已固定到機床的狀態）。②編程時X、Y加工零點盡量設置在直角邊的交點處，可重復調用。③夾具上平面作為“Z軸參考零點”保存在坐標庫中（見圖16）。編程時Z軸零點放置在零件最高點時，采用千分表測出零件頂面與夾具上平面高度差值后，輸入Z軸補正值來實現，提高Z軸設定效率。

圖16 Z軸零點快速設定示例

2）夾具主體及附件需要退磁（定期退磁），被加工零件提前做好去毛刺，清潔工作，確保夾具基準面與零件的正確貼合。

3）操作技術人員經驗和手感的培養：①不同外形零件根據其與夾具貼合面積的大小確認主要貼合面和次要貼合面（見圖17），對應的頂緊力則為主要力F1和次要力F2。②在施加F1、F2時，要掌握一些技巧，首先F1、F2作用于零件，使其X、Y方向都與夾具面貼合到零間隙，但不夾緊，用手上下推動被加工零件，感覺零件與夾具的側面貼合觸感以及與底面Z軸定位點的接觸效果，可判斷是否有切屑、毛刺干涉，然后優先頂緊接觸面積比較大的力F1，再頂緊接觸面積比較小的力F2。③剛開始使用此夾具，可以在頂緊后，經常用千分表檢驗零件貼合面或者圓弧高點連線與機床X、Y導軌方向的一致性誤差，很快就會形成良好的手感。④當使用墊塊來避讓零件掛臺時，建議采用帶小磁鐵“吸棒”輔助墊塊的初定位，如圖18所示。

圖17 主、次力區分及施力示意

圖18 磁鐵吸棒巧用示例

4）可拓展加工超行程零件。此夾具在實際應用中可以裝夾超過理論裝夾范圍的零件（見圖19），不過要注意施力點的選擇，并檢測零件上表面水平度，如果超差，一般是零件本身垂直度誤差或者頂桿施力點過高造成。

圖19 拓展裝夾范圍示例

5）對于位置精度要求特別高（0.003m m以內），或者要求絕對分中的零件，建議重新尋邊找正X、Y零點。

6）針對無法直接頂緊、仍需制作專用夾具的零件，這里也提供相對更簡單、低成本的解決方案。

如圖20所示，如果像左側打“×”的圖那樣直接頂緊，工件會產生旋轉，無法正確裝夾；推薦采用打“√”圖所示方案，用慢走絲機床切割一個小的輔助定位塊，就可以實現精準定位，省去制作大尺寸專用夾具的時間和費用。

4 結束語

CNC銑床在切削加工領域占據著非常重要的地位，一家模具公司（或者從事模具零配件加工的公司）能否高效率地應用CNC銑床，高精度地生產出產品，在一定程度上體現出公司技術實力，同時也決定其運營成本和市場競爭力。

圖20 無法直接施力零件裝夾示例

本文所展示的CNC夾具在加工“小型、異形”模具零件的細分領域因為其出色的通用性、快速性（單件時間1～2min以內），能使裝夾效率提升90%以上；且此夾具定位精度高，極大程度地降低錯誤和報廢風險。