面向數(shù)控加工的一體多件裝夾夾具設(shè)計

張國政，徐小飛，劉 順

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控系，安徽蕪湖241000）

0 引言

隨著數(shù)控機(jī)床的普及，以大批大量生產(chǎn)方式進(jìn)行的數(shù)控加工已成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。面對批量規(guī)模生產(chǎn)的流水線作業(yè)，中低檔數(shù)控機(jī)床是中小型企業(yè)的主要資源，中小企業(yè)如何合理利用數(shù)控機(jī)床資源設(shè)備已成為亟待解決的重要課題，設(shè)計合理的夾具裝置是提高批量數(shù)控加工效率的重要途徑。文獻(xiàn)[1]從企業(yè)工程實例出發(fā)，分析了加工中心夾具應(yīng)滿足多件裝夾、多工位與多工序裝夾的設(shè)計要點，首次提出采用一體多件裝夾夾具設(shè)計方法和多工位旋轉(zhuǎn)夾具的設(shè)計方法。文獻(xiàn)[2-3]根據(jù)批量生產(chǎn)工件的多工位需求，分別設(shè)計了多工位專用夾具和多工位翻轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)氣動夾具裝置。本文以批量數(shù)控加工的基座小軸件為例，分析其數(shù)控加工工藝，并針對三個￠3孔鉆夾具設(shè)計提出采用一體多件裝夾方法，并設(shè)計出一體多件裝夾夾具裝置。

圖1 基座小軸零件示意圖

1 基座小軸件數(shù)控加工工藝分析

圖1為基座小軸零件示意圖，工件最低精度為表面粗糙度Ra3.2，可等價為經(jīng)濟(jì)精度IT8級左右，零件制造精度較高。工件屬于回轉(zhuǎn)體零件，除了外六角六面拋光和三個Φ3孔以外，其他的部位加工都可以在數(shù)控車床上完成。該件數(shù)控加工工藝方案見表1所示。

表1 基座工件數(shù)控加工工藝方案

在表1中，工序Ⅱ和工序Ⅲ這兩道工序都是通過三爪卡盤在數(shù)控車床上按兩次裝夾完成，工序Ⅲ也可以安排在數(shù)控鏜銑類機(jī)床上完成，在某些場合下工序Ⅱ和工序Ⅲ可以顛倒，若工序Ⅱ放在工序Ⅲ后面在數(shù)控車床上安排加工，容易導(dǎo)致三爪卡盤夾傷工件，導(dǎo)致工件變形，經(jīng)分析表1中方案合理可行，但三個Φ3孔需要安排為工序Ⅳ，安排在最后一道工序完成。表1中工序Ⅳ所鉆的三個Φ3孔需要設(shè)計專用鉆床夾具，該道工序定位夾緊如圖2所示，選擇工件的六角面中一個表面為主定位面，限制工件三個自由度，相鄰的另一個表面限制工件兩個自由度，工件環(huán)形端面限制工件一個自由度，正對主定位面上施加一個夾緊力，該夾緊力采用氣動夾緊，氣動夾緊可利用氣缸驅(qū)動，人工操作控制，操作方便、夾緊可靠，氣動夾緊是典型的綠色夾具夾緊機(jī)構(gòu)[4]。

圖2 零件的三維裝夾工序圖

2 一體多件裝夾的鉆夾具設(shè)計

三個小孔之間沒有具體的位置要求，可按IT11級等級處理，選擇如圖2所示的定位方案能夠滿足工件的定位要求，從而避免工件夾緊產(chǎn)生變形，傳統(tǒng)鉆夾具設(shè)計時只針對一個工件的裝夾，需要人工不斷快速更換工件實現(xiàn)高效加工，對操作工的熟練程度要求很高，且勞動強(qiáng)度大。數(shù)控加工是通過數(shù)控程序控制刀具相對工件產(chǎn)生切削運(yùn)動，從而將工件加工表面上的多余材料層去除的一種自動加工，要求工件在一次裝夾過程中完成多個表面的切削加工，為了充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床工序集中的特點，降低數(shù)控機(jī)床頻繁啟動加工頻率，此夾具設(shè)計采用一體多件裝夾方法，所謂“一體”指的是在一個夾具體上，“多件裝夾”表示裝夾兩個以上的工件，結(jié)合文獻(xiàn)[1]提供的方案，本文采用單工序（即鉆三個孔工序）多件裝夾，根據(jù)數(shù)控鉆床的工作臺面規(guī)格及其行程，采用一次裝夾八個工件，工件環(huán)形底面采用定位板支撐，兩六角相鄰側(cè)面采用V形塊板定位，工件夾緊采用雙氣缸聯(lián)動，圖3所示的氣動工作原理圖，采用手動換向閥人工操作夾緊。圖4所示為一體多件裝夾的鉆夾具裝備三維模型圖。

圖3 氣動工作原理圖

圖4 一體多件裝夾的鉆夾具裝備三維模型圖

3 案例驗證

針對基座軸件上三個小孔加工，在不考慮刀具損壞對加工的影響，采用相同的切削參數(shù)前提下，采用傳統(tǒng)手動夾具在普通機(jī)床上完成加工，需要一人一臺機(jī)床，每天8小時可生產(chǎn)624件產(chǎn)品，若以一臺數(shù)控機(jī)床采用一體多件裝夾夾具可生產(chǎn)768件產(chǎn)品，見圖5所示。在實際的生產(chǎn)過程中，若以人作為生產(chǎn)基數(shù)，傳統(tǒng)夾具在普通鉆床上是一人一臺機(jī)床，每天8小時最多生產(chǎn)624件，而在數(shù)控鉆床上采用一體多件裝夾夾具，可以一人操作兩臺甚至到4臺數(shù)控鉆床，但同時考慮到工人休息生理時間，以每人操作兩臺數(shù)控鉆床，每天8小時可生產(chǎn)達(dá)1356件，工人是利用一臺數(shù)控鉆床加工過程的時間在另一臺數(shù)控鉆床上裝卸工件。由此可見，開發(fā)設(shè)計一體多件裝夾夾具裝置將大幅度提高工件生產(chǎn)效率，約為傳統(tǒng)加工的2.5倍，采用多件裝夾時工人的勞動強(qiáng)度也比傳統(tǒng)加工操作勞動強(qiáng)度有大幅度降低，這是中小型規(guī)模企業(yè)生產(chǎn)中所要解決的重要課題，在大型企業(yè)是通過引進(jìn)機(jī)械手裝卸工件代替人工勞動，從而形成生產(chǎn)流水線，進(jìn)而更大幅度降低工人勞動強(qiáng)度。在采用一體多件裝夾夾具裝置后，為了匹配最后一道工序的工作節(jié)拍，在前兩道工序中對數(shù)控車床操作區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，見圖6所示，通過匹配規(guī)劃使得最后一道工序的加工不會因前道工序的耽擱而造成停工狀態(tài)，致使生產(chǎn)效率大幅度提高，圖6中每個工作區(qū)域用點畫線表示一個工人同時操作兩臺數(shù)控機(jī)床。

圖5 兩種裝夾夾具使用過程中生產(chǎn)量對比圖

4 結(jié)束語

面對小零部件的批量數(shù)控加工裝夾問題，針對零部件加工部位少，為了滿足批量數(shù)控加工，采取一體多件裝夾夾具設(shè)計方法，以批量生產(chǎn)的基座小軸零件為案例，分析其數(shù)控加工工藝方案，設(shè)計出滿足數(shù)控加工工序集中要求的一體多件裝夾的氣動夾具裝置，實踐證明采用此種夾具在數(shù)控機(jī)床上完成加工，其生產(chǎn)效率比在傳統(tǒng)設(shè)備及其工裝夾具中生產(chǎn)效率提高幾倍以上，該夾具方案在當(dāng)前中小企業(yè)應(yīng)用廣泛，也是批量規(guī)模自動化生產(chǎn)及其車間規(guī)劃設(shè)計的主要研究課題。

[1]張國政，楊?；?，劉順.基于工序集中要求的加工中心夾具設(shè)計研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，14（3）：128-132.

[2]余蔚荔，余冠洲.批量加工某特殊刀柄的多工位專用夾具設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2012（20）:47-49.

[3]張國政，劉有余.PLC控制的多工序氣動夾具設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2012（10）:40-44.

[4]張國政，韓江，陸愛明.基于數(shù)控加工工序集中要求的程控氣動夾具設(shè)計[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2011（10）：90-94，98.