數控加工中心一次多件液壓自動夾具設計
2018-10-19 來源：長安大學工程機械學院 作者：陳忠偉，楊宇強，岳偉平
摘要: 介紹一種用于汽車油管孔加工的多工件同時裝夾的數控加工中心液壓夾具。采用過定位解決了細長油管剛性差不便于裝夾的問題，設計了夾具的機械結構和液壓回路。一次多件同時裝夾，高度自動的液壓驅動，使得它是一種高效率自動夾具。
關鍵詞: 加工中心夾具; 一次裝夾多件; 液壓回路
數控加工中心機床是集銑、鉆、鉸、攻絲、鏜等于一體的柔性化機床，是組成現代柔性制造系統的基本單元; 大批量零件采用數控加工已成為現代制造業的主要模式，設計制造一體多件和多工位夾具，則是發揮其柔性的重要研究方向。
如圖 1 所示，某汽車上的分配油管是一種大批量生產的零件，其中油管上的多個不同尺寸的徑向孔加工通常在一臺帶有 B軸的數控加工中心上一次性完成。為充分利用加工中心的柔性性能、提高生產效率，需設計制造一體多件的液壓自動夾具。
圖 1 油管零件圖
1 、機床和工件加工方式
該零件采用一種具有臥式第四軸及對應尾座的立式數控加工中心加工。為便于敘述按圖 1 定義正面孔和反面孔。第一步，鉆、鉸正面 8. 58 mm 孔，然后加工其內外倒角; 第二步，第四軸旋轉 30°，同第一步加工 5. 1 mm 孔; 第 三步，工件隨第四軸轉動180°，同第一步加工反面孔。
2 、定位夾緊方案
基于上述加工方式以及零件尺寸基準，該零件應采用 V 形塊支撐外圓并配合 V 形塊壓緊，再加上油管一端面靠在夾具軸向定位基準面上另一端被夾緊裝置夾緊的方式裝夾。油管兩端面上的 C0. 5 內倒角是精車得到的，可作為兩個頂尖孔使用。
由于倒角尺寸很小，若使用頂尖定在其上，兩者可視為是線接觸的，所以又可稱此倒角為線接觸中心孔。有研究表明: 線接觸中心孔使剛性軸的定位及加工精度較用標準中心孔提高兩個數量級。
因此可采用兩頂尖頂在管子兩端內倒角上進行軸向定位。上述方案中，V 形塊和兩頂尖重復限制了管子的自由度，即形成了過定位。通常這是不允許的，但由于這種油管長徑比達 15，屬于細長零件，剛性較差，加工過程中易變形，因此考慮增加支承，在使用兩頂尖的基礎上增加 V 形塊支撐，形成過定位。合理地利用過定位可改善工件受力狀況、增加系統剛度、改善定位精度、提高加工質量。
3 、夾具總體設計與動作實施
設計專用夾具首先應保證工件的加工精度，其次在可能的情況下應盡量提高生產率。為此將這種夾具設計為一次裝夾 8 根油管的一體多件夾具。該夾具主要由夾具基座、8 缸并聯的液壓頂尖、固定頂尖、V 形支撐塊、8 頭分別壓緊 V 形槽旋轉壓塊、旋轉油缸以及液壓控制回路組成，結構如圖 2 所示。為提高自動化程度，配合機床自動上下料系統，設計夾具的結構時為上下料機械手留出了足夠的完成抓取動作的空間。
圖 2 夾具總裝示意圖
夾具定位與夾緊動作實施如下: 初始時，液壓頂尖處在最左邊，旋轉壓塊處在長邊與 B 軸軸線平行的最高位置，此時上料裝置可方便地將 8 根管子放到夾具上; 上料后，液壓頂尖頭在活塞推動下推動管子右移并最終頂緊在右端固定頂尖上; 隨后，旋轉油缸活塞帶動旋轉壓塊先旋轉再夾緊將管子夾緊在 V 形槽上; 右側使用如圖 3 所示 8 個兩腔分別并聯的油缸主要是考慮到管子長度公差帶寬達 0. 4 mm，若采用8 個頂尖剛性連接在一個零件上，可能出現較短的管子不能被準確定位的情況。
考慮到管子外徑公差及直線度公差較大，本應在一個零件上加工出 8 條 V 形槽的旋轉壓塊做成了如圖 2 中局部視圖 I 所示的 20、21、22 三種零件構成的 8 頭分別壓緊 V 形旋轉壓塊。
該旋轉壓塊下壓時外徑為正公差的管子或者向上凸起的先被壓緊，隨后較細或者向下彎曲的管子也被壓緊，當然碟形彈簧的壓縮行程滿足夾緊最細管子的要求。集成液壓頂尖采用如圖 3 中局部視圖 I 所示的結構使得頂尖活塞不受彎矩載荷。
圖 3 集成液壓頂尖
4 、液壓控制回路
要求左端頂緊油缸和中間旋轉油缸完成夾緊動作后，都能夠使活塞保持在夾緊位置一段時間。液壓鎖緊回路可使執行元件停留在行程范圍內的任意位置并能防止在外力作用下的漂移或躥動，因此采用一種鎖緊回路。采用錐閥的液控單向閥可保證閉鎖時不會滲漏，這正好可以作為此設計中的鎖緊元件。圖 4 即是液壓原理圖。為便于描述，這里將 8 個并聯頂緊油缸在圖上表達為 1 個。
圖 4 液壓原理圖
5 、結束語
通過使用并聯液壓缸以及分別壓緊的柔性旋轉壓緊裝置，合理地解決了公差帶寬較大的多個零件同時準確定位與夾緊的問題，設計出了一種高效率的自動夾具。此夾具在工廠實際使用中已經取得良好效果。經過簡單改造，該夾具也可以發展成適用于其他較小尺寸的軸類零件的銑削夾具。
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