陸龍福，曹明順

四軸數(shù)控機(jī)床自動(dòng)定心夾具設(shè)計(jì)

陸龍福，曹明順

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

四軸數(shù)控機(jī)床自動(dòng)定心夾具，主要用于夾緊、定位機(jī)器人夾持套類零件的加工，它解決了現(xiàn)有夾具定心不準(zhǔn)、裝夾不夠穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度低等問題，夾具在整個(gè)夾緊、松弛過程中動(dòng)作一氣呵成，由液壓缸自動(dòng)控制，錐度擠壓夾緊穩(wěn)定性高，具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、易于制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)，稍加改造便可適用于絕大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的自動(dòng)定心裝夾加工。

自動(dòng)定心；夾緊裝置；夾具設(shè)計(jì)；數(shù)控機(jī)床

近年來，制造的快速發(fā)展，制造行業(yè)由工人、機(jī)床設(shè)備逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人、機(jī)床設(shè)備，四軸數(shù)控機(jī)床自動(dòng)定心夾具主要使用在機(jī)器人，四軸數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，機(jī)器手對工件的夾持、松開定位以及工件的自動(dòng)定心動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)加工中的自動(dòng)化和一體化。任何零件產(chǎn)品的加工都離不開夾具，夾具定位的可靠性、穩(wěn)定性、可操作性、便捷性直接決定了加工后產(chǎn)品的質(zhì)量、加工的效率和加工成本。本夾具設(shè)計(jì)的目的主要是為了解決常規(guī)夾具中定位不準(zhǔn)，裝夾不夠穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度低等問題。

1 設(shè)計(jì)理念

在機(jī)械加工中，為了使得工件的生產(chǎn)效率得到有效提高，控制加工精度成本，減少裝夾工件設(shè)備磨耗和運(yùn)行時(shí)間，提高產(chǎn)品加工精度和質(zhì)量的穩(wěn)定性，減少廢品率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。需要把難于定位、自動(dòng)化程度低、復(fù)雜、耗時(shí)多的裝夾、定位過程簡單化。為此，特設(shè)計(jì)四軸機(jī)床自動(dòng)定心夾具來優(yōu)化工件裝夾、定位過程，以達(dá)到安全、快速、簡潔、高效的工作過程。

1.1 創(chuàng)新性

目前，工件內(nèi)孔定位加工主要采用的夾具有定位銷、定位心軸、圓錐銷、彈性夾具、內(nèi)脹夾具等，根據(jù)工件的不同需求分別選用不同的夾具和定位方式，這些夾具的特點(diǎn)是定位的自動(dòng)化程度不高，安裝不夠方便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，部分夾具比如彈性夾具解決了定位精度高但穩(wěn)定性和承受力的強(qiáng)度方面存在缺陷。夾具存在的短板很難滿足目前數(shù)控加工自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。

設(shè)計(jì)目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、易于制造、成本低、自動(dòng)化程度高的四軸數(shù)控機(jī)床自動(dòng)定心夾具。

（1）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 所設(shè)計(jì)的夾具自動(dòng)化程度高，夾具在整個(gè)夾緊、松弛過程中動(dòng)作一氣呵成，由液壓缸背壓力自動(dòng)控制。

（2）原理簡單、實(shí)用性強(qiáng) 充分利用四軸機(jī)床上卡盤設(shè)置導(dǎo)的滑槽、通過液壓缸連接，驅(qū)動(dòng)錐度軸水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為三瓣式自動(dòng)定心夾具定心運(yùn)動(dòng)。

（3）定位可靠、精度高 采用二級(jí)錐度式的錐度軸和三瓣式自動(dòng)定心夾具組合定心，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。

1.2 自動(dòng)化程度高

（1）所設(shè)計(jì)的四軸數(shù)控機(jī)床自動(dòng)定心夾具設(shè)計(jì)屬于機(jī)器人制造專用夾具領(lǐng)域，尤其是涉及到一種能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)孔和外圓同軸度要求高的工件，自動(dòng)定心、自動(dòng)裝夾加工工件的夾具。

（2）工件的夾持和放置均使用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)，能夠與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無縫對接。

1.3 適應(yīng)性強(qiáng)

夾具稍加改造便可適用于絕大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的自動(dòng)定心裝夾加工。對于三軸機(jī)床，可以采用原理相同，立式夾具即可實(shí)習(xí)自動(dòng)裝夾加工；對于車銑復(fù)合或者數(shù)控車，直接更改連接處卡盤均可實(shí)現(xiàn)。

2 功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 夾具結(jié)構(gòu)及組成

如圖1所示，四軸數(shù)控機(jī)床自動(dòng)定心夾具主要由夾具主體、安裝盤、夾緊裝置三大部分組成。

（1）夾具主體 夾具主體由錐度軸2、三瓣式自動(dòng)定心夾具3、壓簧5、壓簧端蓋8、端蓋螺釘9、導(dǎo)滑槽盤9組成，三瓣式自動(dòng)定心夾具3內(nèi)表面呈錐度圓弧形，其錐度與錐度軸2相同，內(nèi)圓弧小端設(shè)置了T形滑塊，導(dǎo)滑槽盤10的端面圓周方向均勻設(shè)置了三個(gè)120°的T形導(dǎo)滑槽，三瓣式自動(dòng)定心夾具3內(nèi)圓弧小端部的T形滑塊分別安裝于導(dǎo)滑槽盤10三個(gè)T形導(dǎo)滑槽內(nèi)，并在導(dǎo)滑槽內(nèi)的T形滑塊上方放置了壓簧5，通過壓簧端蓋8和端蓋螺釘9使三瓣式自動(dòng)定心夾具3內(nèi)表面緊貼于錐度軸2的錐面。

（2）安裝盤 安裝盤由花盤6、第4軸箱體7、花盤螺釘11、花盤螺母12組成，花盤6中心設(shè)置了軸孔，緊固安裝在第4軸箱體7的一側(cè)壁面上，導(dǎo)滑槽盤10通過花盤螺釘11和花盤螺母12緊固于花盤6的端面。

（3）夾緊裝置 夾緊裝置由鎖緊螺釘1、錐度軸2、活塞桿定位裝置13、活塞桿14、連接裝置15、液壓缸16組成，活塞桿14通過連接裝置15與液壓缸16連接，錐度軸2通過鎖緊螺釘1與穿過第4軸箱體7和花盤6上軸孔的活塞桿4緊固連接，活塞桿14軸心線的位置由設(shè)置在第4軸箱體7另一側(cè)壁面上的活塞桿定位裝置13進(jìn)行調(diào)整。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

為了便于其功能實(shí)現(xiàn)描述，將結(jié)合圖1的b和c三維模型加以介紹。

根據(jù)工件內(nèi)孔孔徑及工件的厚度，分別選用或設(shè)計(jì)一定范圍內(nèi)的三瓣式自動(dòng)定心夾具的外徑和工作寬度。加工前，機(jī)器人將工件置于三瓣式自動(dòng)定心夾具的外圓表面，液壓缸通過與活塞桿連接的錐度軸移動(dòng)迫使三瓣式自動(dòng)定心夾具在導(dǎo)滑槽盤的T形滑槽內(nèi)向外移動(dòng)夾緊工件，夾緊力度由液壓缸的流量自動(dòng)控制，當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)定值后，液壓缸保壓，活塞桿將停止移動(dòng)，機(jī)器人的機(jī)械手松開工件，四軸數(shù)控機(jī)床便可對工件同軸度要求較高的外圓表面進(jìn)行車、銑削復(fù)合加工。加工完畢后，機(jī)械手夾持工件，液壓缸控制與活塞桿連接的錐度軸往右端移動(dòng)，與三瓣式自動(dòng)定心夾具內(nèi)表面配合的錐度軸外徑逐步變小，此時(shí)固定在導(dǎo)滑槽盤上的壓簧擠壓安裝于導(dǎo)滑槽盤的T形滑槽上的三瓣式自動(dòng)定心夾具內(nèi)圓弧小T形滑塊，使三瓣式自動(dòng)定心夾具內(nèi)表面向軸心線移動(dòng)緊貼于錐度軸的錐面，三瓣式自動(dòng)定心夾具外表面與工件內(nèi)孔松開，機(jī)械手夾持工件移開，夾具準(zhǔn)備就緒，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)加工環(huán)節(jié)。

3 擬解決的技術(shù)難題

3.1 二級(jí)錐度軸錐度值和行程間關(guān)系控制

夾具開始工作時(shí)，起始階段，為了讓液壓缸行程盡量短，夾緊快速，一級(jí)錐度設(shè)置為10°～15°，進(jìn)入夾緊后段，需要保證夾緊的平穩(wěn)和可靠，二級(jí)錐度設(shè)置為2°～4°，這樣既提高效率，又避免因?yàn)殄F度過大造成夾緊不可靠、不穩(wěn)定。

3.2 三瓣式自動(dòng)定心夾具內(nèi)、外表面的設(shè)計(jì)

三瓣式自動(dòng)定心夾具內(nèi)表面設(shè)計(jì)成與錐度軸二級(jí)錐度相一致的尺寸值，更利于相互間配合及運(yùn)動(dòng)精度的確定，其外表面設(shè)置成圓柱形表面，根據(jù)加工工件內(nèi)徑大小，分別設(shè)計(jì)不同的外徑組件，既保證了裝夾的穩(wěn)定可靠，又保證了裝夾的精度和保護(hù)加工工件不易于受損。

3.3 夾具自動(dòng)復(fù)位功能

為了實(shí)現(xiàn)夾具自動(dòng)復(fù)位功能，三瓣式自動(dòng)定心夾具后端的T形滑塊上方開設(shè)了壓簧孔，當(dāng)錐度軸與三瓣式自動(dòng)定心夾具松開時(shí)，在壓簧作用下自動(dòng)復(fù)位貼緊錐度軸外表面。

3.4 三瓣式自動(dòng)定心夾具內(nèi)圓錐面、外圓柱面及導(dǎo)滑塊的加工方法

三瓣式自動(dòng)定心夾具為整體式加工所得，自動(dòng)定心要求高，需要三個(gè)零件一起加工，然后再通過線切割方法，切割成尺寸一致的三瓣式自動(dòng)定心夾具。后端T形滑塊，可利用慢走絲進(jìn)行加工。

4 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的夾具屬于機(jī)器人制造專用夾具領(lǐng)域，尤其是涉及到一種能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)孔和外圓同軸度要求高的工件，由于機(jī)器手夾持工件位置固定，這就要求夾具在確定的位置具有自動(dòng)定心、自動(dòng)夾緊功能，夾具中的三瓣式自動(dòng)定心夾具3、錐度軸2剛好滿足所述要求，機(jī)器手完成工件的夾持、松開動(dòng)作后，動(dòng)力源由調(diào)節(jié)好的液壓缸背壓力自動(dòng)控制夾具夾緊或松弛工作，整個(gè)夾緊、松弛過程中，動(dòng)作一氣呵成。通過錐度軸的擠壓，夾緊工件的穩(wěn)定性更高，所用錐度軸零件為常見的典型零部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、易于制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)，稍加改造便可適用于絕大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的自動(dòng)定心裝夾加工，具有很高的推廣價(jià)值。

[1]肖繼德.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2018.

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[3]許大華.夾具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2018.

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[6]焦小明,孫慶群.機(jī)械加工技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2017.

Design of Automatic Centering Fixture for Four-axis NC Machine Tool

Lu Longfu, Cao Mingshun

(Huanggang Polytechnic College, Huanggang 438002 Hubei)

The automatic centering fixture of four-axis NC machine tool is mainly used for the processing of clamping sleeve parts of clamping and positioning robot, which solves the problems of inaccurate centering, unstable and reliable clamping and low degree of automation of the existing fixture. The fixture acts in the whole clamping and relaxation process, which is automatically controlled by hydraulic cylinder, with high taper extrusion and clamping stability. It has the advantages of simple structure, strong universality, easy manufacture and low cost as well, which can be applied to the automatic centering and clamping processing of most NC machine tools with a little modification.

Automatic centering; Clamping device; Numerical control machine tool

TP311.51

A

1672-1047（2022）02-0108-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2022.02.26

2022-03-05

陸龍福，男，貴州獨(dú)山人，副教授。研究方向：模具設(shè)計(jì)及制造。

[責(zé)任編輯：劉良瑞]