夏春發(fā)

水龍頭在現(xiàn)代家庭生活中屬于兼具裝飾性與實(shí)用性的物品，外觀品質(zhì)是決定產(chǎn)品檔次的重要因素之一。水龍頭大部分外觀零件都要經(jīng)過拋光、電鍍等表面處理，鑄造零件毛坯直接拋光不容易達(dá)到高檔次水龍頭的品質(zhì)要求，一般采用車削或銑削加工外形后再拋光，這樣可以得到很好的外觀效果。可見，車削或銑削加工外形的夾具設(shè)計(jì)對(duì)提升加工效率、保證品質(zhì)十分重要。

在機(jī)械加工中，夾具是用來固定加工對(duì)象，使之占有確定位置以接受加工或檢測(cè)的工藝裝備。夾具設(shè)計(jì)中的定位就是工件通過夾具相對(duì)機(jī)床、刀具占有正確的加工位置，其目的是使同一批工件在夾具中占有一致的正確加工位置，保證其加工位置的準(zhǔn)確性。一個(gè)在空間處于自由狀態(tài)的物體具有6個(gè)自由度，即：沿3個(gè)互相垂直坐標(biāo)軸移動(dòng)自由度，以及繞這3個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（如圖1），工件定位的基本原理是在空間對(duì)這6個(gè)自由度加以必要的約束。本文以水龍頭零件（如圖2、圖3）機(jī)加工夾具為例，討論頂針定位夾具設(shè)計(jì)的方法與技巧，達(dá)到夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精度高、操作便利等特性，從而提升機(jī)加工效率。

頂針定位在車削加工夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖2零件特征是個(gè)回轉(zhuǎn)體，依據(jù)加工工藝先加工上下兩個(gè)平面及孔，再采用數(shù)控車床車削加工回轉(zhuǎn)體外形。原來方案是采用零件下平面與孔作定位設(shè)計(jì)夾具，夾具固定在數(shù)控車床主軸端，數(shù)控車床尾座安裝頂針頂住上平面中心孔，主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車削加工，如圖4所示。通常這樣做法也是合理的，但實(shí)際情況是經(jīng)常出現(xiàn)車削面與上平面中心孔偏心問題。分析其原因是因?yàn)榱慵舷缕矫媾c孔是分工序加工，加工后的下平面及孔的垂直中心線與上平面孔的中心有偏差。如圖5所示，加工時(shí)零件會(huì)以下平面及孔的實(shí)際垂直中心旋轉(zhuǎn)，在頂針剛性不足的情況下，上平面中心孔與頂針會(huì)圍繞下平面及孔的實(shí)際垂直中心線旋轉(zhuǎn)晃動(dòng)，出現(xiàn)車削加工輪廓外形與上平面及中心孔不同心的現(xiàn)象，這種不同心的外觀特征是不能接受的，但實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)常出現(xiàn)。為防止此問題出現(xiàn)，之前做法是前后工序同步加工驗(yàn)證，調(diào)整至同心度符合要求再批量生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中任何一道工序有變動(dòng)都要重復(fù)驗(yàn)證調(diào)整，否則有批量報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

上述問題產(chǎn)生的主要原因是由于加工上下兩個(gè)平面及孔的夾具定位不足造成加工后中心不統(tǒng)一。要保證加工后兩個(gè)平面及孔的中心一致工藝難度也很大，是否可以通過其他方式來解決此問題？對(duì)上述夾具分析認(rèn)為夾具設(shè)計(jì)存在過定位問題，夾具以下平面及孔定位已經(jīng)確定了零件的回轉(zhuǎn)中心，如果此中心與上平面及孔的實(shí)際中心位置不一致就存在以上問題。為了解決車削回轉(zhuǎn)體外形與零件上下平面及孔同心問題，必須以零件上下平面及孔的中心連線作為車削旋轉(zhuǎn)軸心。為此設(shè)計(jì)如圖6的雙頂針結(jié)構(gòu)定位夾具，夾具1的頂針與銷釘結(jié)構(gòu)起定位與帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)作用，通過夾具2把零件較復(fù)雜的下平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成中心孔與銷釘卡位結(jié)構(gòu)便于頂針定位與銷釘帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，兩端頂針定位確定了零件的5個(gè)自由度，在限制第六個(gè)自由度的銷釘帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)車削。車削加工時(shí)零件以兩個(gè)頂針點(diǎn)連線為軸心旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)體外圓與中心孔偏心的問題就不存在了，按此思路設(shè)計(jì)制作工裝驗(yàn)證上述分析是否正確，測(cè)試結(jié)果完全符合預(yù)期。該設(shè)計(jì)大大降低對(duì)前道工序加工精度要求，提升了生產(chǎn)效率。

頂針定位在銑削加工夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖3零件的外形是五邊形設(shè)計(jì)，有多條輪廓線，如果像以往采用鑄造毛坯直接拋光的工藝方案，則對(duì)拋光師傅的技能要求很高，在當(dāng)前勞動(dòng)力緊缺的情況下培養(yǎng)大量高技能拋光工難度很大，大批量生產(chǎn)也很難保證拋光外觀品質(zhì)一致性的要求。近幾年為了解決行業(yè)普遍存在的拋光工緊缺困境及復(fù)雜高品質(zhì)產(chǎn)品外觀拋光難題，一種用來替代人工粗拋工序的多軸雕銑機(jī)（行業(yè)俗稱扒皮機(jī)）被研制出來。這種扒皮機(jī)是在數(shù)控銑床基礎(chǔ)上發(fā)展而來的多主軸（一般都在6個(gè)或6個(gè)以上主軸）高效率雕銑機(jī)，一次性可以銑削加工多個(gè)產(chǎn)品。鑄造毛坯經(jīng)過銑削加工成比較精細(xì)粗糙度的表面，再采用砂帶、布輪拋光至鏡面效果，不僅可以大幅度提升產(chǎn)品的拋光效率，降低了對(duì)拋光工的技能要求，同時(shí)也提升了產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，近幾年在衛(wèi)浴行業(yè)得到大量推廣使用。因?yàn)榘瞧C(jī)是多主軸、多工位同時(shí)加工，所以對(duì)夾具一致性精度要求很高。

扒皮設(shè)備工藝方案一般分兩種，其一是立式扒皮機(jī)，一般先銑削鑄造毛坯外形，再加工其他配合功能的平面、孔及螺紋。此方案的扒皮機(jī)夾具是按毛坯表面輪廓銑削型腔，把毛坯放在銑削好的型腔內(nèi)定位，先銑削毛坯一半表面，然后再按已銑削好的表面輪廓銑削另外一半定位型腔，銑削另一半毛坯表面（如圖7所示），這一方案適合大批量生產(chǎn)。其二是臥式扒皮機(jī)，夾具在設(shè)備中間，主軸分布在夾具兩側(cè)同時(shí)加工，這類設(shè)備加工不適合采用外表面特征定位。一般是先加工毛坯的其他配合功能的平面、孔及螺紋，再使用已加工好的平面、孔及螺紋定位銑削毛坯外表面，圖8所示的是一種臥式六軸三工位扒皮機(jī)夾具，下面來討論這一類夾具定位設(shè)計(jì)。

這類夾具設(shè)計(jì)方案是采用支撐零件下平面及孔與出水孔平面及孔來定位，再用氣缸壓緊（如圖8所示）。零件加工品質(zhì)要求壁厚偏差小于0.3mm，因此要求3個(gè)夾具位置一致性偏差也要小于0.3mm。此類結(jié)構(gòu)夾具由多個(gè)零件組裝而成，直接檢測(cè)其位置度比較困難。目前做法是把夾具先安裝在機(jī)床上試加工3個(gè)零件，根據(jù)加工后零件壁厚差異來判定夾具定位是否準(zhǔn)確一致，再校正夾具以達(dá)到加工后3個(gè)零件壁厚偏差都要小于0.3mm的品質(zhì)要求，往往要經(jīng)過多次試加工與調(diào)整才能符合要求。這種做法效率低、難度大。另外氣缸桿壓在毛坯面上也存在零件前后位置偏差問題，此方法定位很不穩(wěn)定，加工后零件壁厚不均勻的問題時(shí)常發(fā)生，零件尺寸越大越明顯。

為此必須重新思考設(shè)計(jì)夾具定位方式，以達(dá)到精確定位的目的，降低夾具制作與調(diào)整難度。頂針精確定位的特點(diǎn)可以再次應(yīng)用，具體方案是：（1）校正3個(gè)壓緊氣缸的中心分別與下面3個(gè)夾具安裝定位孔在同一軸線上，氣缸桿前端安裝頂針。（2）氣缸桿設(shè)計(jì)加強(qiáng)護(hù)套，加強(qiáng)桿剛性以達(dá)到氣缸伸出壓緊工件不會(huì)偏移，確保定位精度。（3）設(shè)計(jì)防旋轉(zhuǎn)定位夾具，固定零件出水孔。具體如圖9所示。

此零件通過下平面的定位夾具、閥芯孔的頂針與出水孔防旋轉(zhuǎn)夾具三處限位，完全精確限制了零件所有自由度。頂針起到精確定位與壓緊雙重作用。此方案關(guān)鍵是一次性把上方的壓緊氣缸與下面的夾具定位孔校正到同一軸線，生產(chǎn)不同零件只要更換零件定位塊即可，改善后的夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，有效解決了之前夾具反復(fù)校驗(yàn)調(diào)整工作，生產(chǎn)品質(zhì)更加穩(wěn)定可靠。

以上討論的零件結(jié)構(gòu)是上下定位孔在同一軸線上，大部分產(chǎn)品不具備這樣的結(jié)構(gòu)特征，如圖10、圖11所示的零件。

在以上夾具結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)不變的前提下實(shí)現(xiàn)此類零件定位，發(fā)揮這類夾具通用性是推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。如圖10所示的水嘴是弧形結(jié)構(gòu)，可以在零件上設(shè)計(jì)如圖12所示的工藝凸臺(tái)，在此凸臺(tái)上加工與底平面中心同軸的頂針孔，即可實(shí)現(xiàn)我們需要的同軸結(jié)構(gòu)定位，此工藝凸臺(tái)在銑削外形后再加工去掉。圖11是一種典型結(jié)構(gòu)水龍頭本體零件，零件下平面與零件的中心線不垂直，我們可以通過設(shè)計(jì)楔形結(jié)構(gòu)的下定位塊調(diào)整零件角度位置來實(shí)現(xiàn)與上方頂針同軸定位，如圖13所示?？傊慵Y(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，如何靈活應(yīng)用是考驗(yàn)工程師的設(shè)計(jì)智慧。

通過以上兩個(gè)案例分析可見，在機(jī)加工夾具設(shè)計(jì)中，采用頂針定位是一種定位精度高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有效定位方式，零件結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化，根據(jù)工裝定位設(shè)計(jì)原理靈活應(yīng)用可有效降低夾具設(shè)計(jì)難度，提升加工品質(zhì)與加工效率。