劉薇娜，陳莎莎，楊立峰

LIU Wei-na, CHEN Sha-sha, YANG Li-feng

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

磨粒流機(jī)床是使用聚合物載體和磨料組成的具有流動(dòng)性的粘彈性材料對(duì)工件進(jìn)行拋光、去毛刺和倒圓角等加工的機(jī)床。磨粒流機(jī)床主要包括兩個(gè)垂直或者水平相對(duì)的磨料缸。磨料缸經(jīng)液壓夾緊，將工件和夾具固定在當(dāng)中，磨料通過(guò)工件從一個(gè)磨料缸進(jìn)入另一個(gè)磨料缸，往復(fù)運(yùn)行，完成加工。磨粒流機(jī)床夾具使工件位于適當(dāng)位置并且引導(dǎo)磨粒流到待加工表面進(jìn)行磨削加工，并且?jiàn)A具需要與工件形成較小的空間通道來(lái)使磨料在狹小通道中進(jìn)行有效的加工。但是在磨粒流拋光機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行拋光時(shí)，往往需要針對(duì)被拋光零件的形狀尺寸，設(shè)計(jì)出一套專(zhuān)用夾具；當(dāng)零件形狀尺寸變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的夾具就不再適用，需要重新設(shè)計(jì)夾具，成本昂貴，設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)。當(dāng)被拋光零件種類(lèi)多時(shí)，所需夾具數(shù)量眾多，致使夾具設(shè)計(jì)、制造工作量增大，造成人力、物力、資源的巨大浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性差。

針對(duì)磨粒流機(jī)床夾具存在的局限性，通用性差的問(wèn)題，結(jié)合常用磨粒流機(jī)床加工的零件及零件尺寸，設(shè)計(jì)出磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具。實(shí)現(xiàn)更高的通用性，縮短設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本。并通過(guò)理論分析及有限元分析其在的工作壓力下夾具體的應(yīng)變情況，根據(jù)所得的分析結(jié)果對(duì)夾具再進(jìn)行優(yōu)化，以滿足性能要求。

1 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具性能

夾具設(shè)計(jì)需滿足使用過(guò)程中工件定位的穩(wěn)定性和可靠性；要有足夠的承載或夾持力度；要滿足裝夾過(guò)程中的簡(jiǎn)單與快速操作；滿足夾具在調(diào)整或更換過(guò)程中重復(fù)定位的可靠性；要盡可能的避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。磨粒流機(jī)床夾具不僅要滿足普通機(jī)床夾具的性能要求還要對(duì)零件起定位作用且封堵住不需要進(jìn)行加工的地方，輔以磨粒流磨料能夠運(yùn)動(dòng)到被加工的地方，從而對(duì)加工表面去毛刺和倒圓角。磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具是在實(shí)現(xiàn)普通磨粒流機(jī)床夾具的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“一體”即一個(gè)夾具體；不論被拋光零件形狀、種類(lèi)、數(shù)量如何變化均在一個(gè)夾具體上進(jìn)行零件的定位、裝夾。夾具體與機(jī)床相連接部分采用螺栓連接，通用、方便、成本低。“內(nèi)嵌多模塊組合結(jié)構(gòu)”即在夾具體內(nèi)部，根據(jù)被拋光零件的形狀、尺寸的不同，只需更換與之相應(yīng)的內(nèi)嵌模塊，形成與之相對(duì)應(yīng)的夾具，使之具有廣泛的適應(yīng)性，即結(jié)構(gòu)柔性。

2 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具設(shè)計(jì)

2.1 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具導(dǎo)流套設(shè)計(jì)

當(dāng)磨粒流從空間較大的機(jī)床磨料腔進(jìn)入夾具內(nèi)部時(shí)會(huì)因?yàn)榍粡降募眲∽冃《a(chǎn)生彈性湍流產(chǎn)生宏觀喇叭口現(xiàn)象及流速不均勻影響拋光精度。因此需要設(shè)計(jì)一導(dǎo)流套來(lái)解決此問(wèn)題。導(dǎo)流套需直徑緩慢變小以解決彈性湍流問(wèn)題。由于磨粒流機(jī)床磨料在加工腔體內(nèi)都是往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工，因此還需要一個(gè)倒流套來(lái)解決磨料回流過(guò)程中產(chǎn)生的彈性湍流現(xiàn)象。

2.2 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具多模塊載體設(shè)計(jì)

圖1 倒流套圖

多模塊載體需要實(shí)現(xiàn)被拋光零件的形狀、尺寸的不同，只需更換與之相應(yīng)的內(nèi)嵌模塊，形成與之相對(duì)應(yīng)的夾具，使之具有廣泛的適應(yīng)性，即結(jié)構(gòu)柔性。如圖2所示磨料流出通過(guò)弧形通道，螺紋孔用來(lái)做各部分連。接連接部分采用螺栓連接，通用、方便和成本低。

圖2 多模塊定位板圖

2.3 磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具實(shí)例應(yīng)用

以拋光一圓柱齒輪為例，首先需要限制其自由度，其次需要形成合適的空間以實(shí)現(xiàn)良好的磨粒流拋光效果。

圖3 直齒圓柱齒輪夾具示意圖

如圖3所示，1導(dǎo)流套可以有效解決彈性湍流問(wèn)題，提高磨料壓力，增大切削力，提高加工效率。2導(dǎo)流套引導(dǎo)磨粒流運(yùn)動(dòng)方向，使參與磨削的磨粒在同一方向，增大磨削力。在5多模塊載體上選擇適用于齒輪尺寸的螺紋孔，與定位座7聯(lián)接，將齒輪8放到定位座7上，齒輪8的X、Y方向的軸向自由度、徑向自由度被限制，再安裝9墊片、10螺母、11堵頭，既限制磨粒流流向，又限制齒輪在Z方向的徑向自由度。選擇合適尺寸的內(nèi)套筒4，形成合適的磨粒流加工腔道。下導(dǎo)流套12既可以在磨料向下流動(dòng)時(shí)，降低磨料壓力，提高下流速度，還可以在磨?；亓鲿r(shí)解決彈性湍流問(wèn)題，提高磨料壓力，增大切削力，提高加工效率。為防止磨料泄漏，有聯(lián)接部分安裝6密封圈。外套筒3既可以防止在有磨料泄漏時(shí)泄漏到機(jī)床上，還可以增加整個(gè)裝置的剛度，增大機(jī)床使用時(shí)的壓力范圍，更進(jìn)一步提高機(jī)床的適用性。整個(gè)裝置不僅完成了齒輪磨粒流加工的定位需要，而且齒輪尺寸改變時(shí)，只需更換一個(gè)合適尺寸的內(nèi)套筒4，無(wú)需再設(shè)計(jì)夾具，費(fèi)用降低，效率提高，整個(gè)夾具的適用范圍大大增加。

假設(shè)加工零件換成一噴油嘴，如圖4所示，只需更換堵頭，不再使用螺母和墊片。直接將噴油嘴12安放到定位座7中，然后擰上中心帶有孔的堵頭13。堵頭13即可以限制磨料直接流向噴油嘴，還可以防止磨料流入套筒。既實(shí)現(xiàn)加工需求，又快捷、方便，提高生產(chǎn)效率，縮短夾具設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本，很好地實(shí)現(xiàn)了通用性。

圖4 噴油嘴夾具示意圖

3 分析驗(yàn)證

磨粒流機(jī)床的壓力范圍通常在,假設(shè)所有壓力均加在夾具上并且取極限值。通過(guò)CATIA應(yīng)力分析模塊加載結(jié)果如圖5和圖6所示。其中圖5為加工件為齒輪時(shí)夾具所受應(yīng)力，圖6為加工件為噴油嘴時(shí)夾具所受應(yīng)力。由圖可知此夾具安全可行。

圖5 直齒圓柱齒輪夾具應(yīng)力圖

圖6 噴油嘴夾具應(yīng)力圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有磨粒流機(jī)床夾具存在通用性差問(wèn)題進(jìn)行了探討和研究，針對(duì)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了磨粒流機(jī)床一體內(nèi)嵌多模塊組合式夾具設(shè)計(jì)，夾具體多模塊載體固定在下導(dǎo)流套并與夾具套筒固定，夾具體壓板與上導(dǎo)流套固定。整個(gè)內(nèi)嵌模塊固定在夾具體下導(dǎo)流套上。夾具體的上下導(dǎo)流套與機(jī)床連接。被加工零件形狀差異很大時(shí)，更換內(nèi)嵌模塊；差異不大時(shí)，更換零件既可。并且通過(guò)分析軟件驗(yàn)證了此夾具的合理性與可實(shí)現(xiàn)性。此磨粒流機(jī)床夾具操作簡(jiǎn)單，效率高，經(jīng)濟(jì)性好。

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