陳艷芬

摘要：數(shù)控加工具有加工精密度高、適應各種復雜工件等優(yōu)點，這使得其成為當前常用的機械加工方法之一。在數(shù)控加工過程中，并非所有零件都適合直接數(shù)控加工，比如圓柱形坯料就需要輔以專用夾具才可實現(xiàn)精細加工。文章以鎖芯零件加工為例，針對鎖芯銑削工序需要對專用夾具進行設計，并使其能夠在數(shù)控加工中得以有效應用。

關鍵詞：數(shù)控加工；機械零件；專用夾具；鎖芯零件加工；鎖芯銑削工序 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG57 文章編號：1009-2374（2016）16-0025-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.011

數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工工藝規(guī)程上具有高度的相似性，其加工原理相同，二者區(qū)別在于加工過程。數(shù)控加工工藝以自動生成數(shù)碼表示程序輸入到數(shù)控程序中，用以數(shù)字化、自動化控制刀具與工件的相對運用，具有較高的智能化水平。數(shù)控加工工藝具有自動化程度高、加工精度高、能加工復雜型面、零件一致性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，但同時其生產(chǎn)成本高、維修存在局限性，而且加工中難以調(diào)整，這就需要借助數(shù)控專用夾具的輔助作用來提升加工工藝水平。

1 鎖芯零件加工工藝設計概述

1.1 工藝規(guī)程設計

鎖芯零件數(shù)控加工工藝過程由若干個工序組成，而每個工序則又可分為若干個安裝、工位、工步及工作形成，其中工序是工藝過程的基本單元。工藝規(guī)程設計與制定的原始材料包括鎖芯零件裝配圖及零件圖、生產(chǎn)綱領與類型、質(zhì)量驗收標準、毛坯生產(chǎn)水平、現(xiàn)場生產(chǎn)條件等，其中零件的生產(chǎn)綱領計算公式為：。鎖芯零件表面加工方法選擇時需要考慮三個方面的問題，即鎖芯表面幾何特點決定加工方法選擇范圍、方法的選擇取決睛鎖芯零件表面技術要求、加工方法的選擇需考慮零件材料性質(zhì)及可加工性。

鎖芯零件加工順序方面，加工階段分為粗加工階段、半精加工階段、精加工階段、光整加工階段。機床選擇的依據(jù)是零件生產(chǎn)數(shù)量，一方面考慮到經(jīng)濟性；另一方面考慮到加工工藝的要求，包括加工尺寸要求、精度要求、切削用量要求等。夾具選擇則依據(jù)零件加工數(shù)量與質(zhì)量要求，通常夾具的設計遵循高生產(chǎn)率原則。

切削用量的確定中，切削速度為：。式中：d表示工件或刀具的最大直徑；n表示工件或刀具的轉速。

背吃刀量的計算方式為：。式中：表示工件代加工表面直徑；表示工件已加工表面直徑。

在零件加工過程中，對于精加工要求的零件，其刀具耐用度最大的影響因素是切削速度，其次依次是進給量和背吃刀量，因此在精加工時需要對切削速度進行合理的選擇，其方法通常有計算法與查表法。

1.2 鎖芯零件工藝設計

在本文的研究中，數(shù)控加工零件選擇批量生產(chǎn)的鎖芯零件，數(shù)量為3000件，另外將該批次零件的備品率為10%，機械加工廢品率為2%，這種要求下的數(shù)控加工工藝規(guī)程如下：

鎖芯零件的材料為45號鋼，平面粗糙度為3.2，依據(jù)生產(chǎn)綱領的計算公式可知生產(chǎn)類型為中批量生產(chǎn)（3360件/年）；鎖芯零件總長度為37mm，截面為8mm，四邊長為23.5mm，截面為圓形的直徑為11mm，長為13.5mm；距圓端面24mm處有通孔，孔徑為4mm，圓柱面上方有3mm寬槽；圓柱端有一個直徑為5mm、長為17mm的螺紋孔。

鎖芯零件的毛坯為直徑12mm的標準45號鋼棒料，結合鎖芯零件精度要求確定各面加工方法：（1）外圓加工采用粗車與精車兩道工序；（2）8mm邊長平面采用粗銑和精銑兩道工序；（3）4mm直徑通孔直接用鉆床加工；（4）5mm直徑螺紋孔在外圓加工后再用車床加工。

考慮到此批鎖芯零件為中批量生產(chǎn)，可選用通用機床，并結合工藝要求設計專用夾具在數(shù)控銑床上完成平面銑削工序。加工工序設計為：（1）12mm直徑棒料粗車加工，加工余量為0.2mm；（2）外圓精車精工后直徑11mm；（3）切斷，總體尺寸37mm，鉆直徑5mm螺紋孔；（4）專用夾具，4個平面同時粗銑，加工余量為0.2mm；（5）精銑后斷面邊長8mm；（6）通用夾具加緊銑出3mm寬的槽；（7）鉆床鉆通孔直徑為4mm；（8）攻絲，加工M5螺紋。

2 鎖芯加工數(shù)控機床專用夾具設計

2.1 機床夾具設計的基本要求

對于本文中的鎖芯零件加工工藝要求，機床專用夾具需符合如下基本要求：一是確保鎖芯工件的加工精度，需要進行專門的精度分析；二是選擇復雜度合適的夾具，縮短輔助實踐，提高生產(chǎn)效率；三是專用夾具工藝性好；四是專用夾具使用性好，操作安全便捷；五是經(jīng)濟性好、結構簡單、標準化和成本低廉。

2.2 機床夾具設計的一般步驟

第一步，接到專用夾具設計任務書后研究加工工件圖與熟悉工藝文件；第二步，結合專用夾具設計任務書要求擬定夾具的結構方案，包括確定夾具類型、確定工件地位方案、確定工件的加緊方式等，加緊方式的確定依據(jù)加緊力的計算結果，通常計算公式為：。式中：表示實際所需加緊力；K表示安全系數(shù)；表示靜力平衡算出的理論加緊力，安全系數(shù)的取值參考安全系數(shù)取值表。除此之外，還需確定刀具導向方式或對刀裝置以及夾具體的結構類型。夾具體的要求包括：有適當?shù)木群统叽绶€(wěn)定性、有足夠的輕度和剛度、排屑方便以及在機床上安裝穩(wěn)定可靠。

2.3 夾具總圖設計

當鎖芯數(shù)控加工工藝中的專用夾具結構方案確定之后，接下來開始對夾具進行總體的設計，即繪制專用夾具總圖，包括草圖與總裝圖。在繪制專用夾具總裝圖時除需遵循機械制圖的基本要求之外，還需考慮到專用夾具設計中的習慣與規(guī)定：（1）為避免直觀錯覺，采用1∶1比例設計；（2）鎖芯零件用雙點畫線表示，并做透明處理，使其不影響夾具元件的投影；（3）以操作者面對的視圖為主視圖，要求視圖數(shù)量完整清晰地表示出整個結構；（4）工件在夾具中應處于加緊狀態(tài)；（5）當元件位置可能發(fā)生變化或變化范圍較大時，需局部雙點畫線標出極限位置，用于檢驗設計中的干涉性；（6）將刀具與刀桿雙點畫線局部表示，用于檢測運行時的相互干涉性。

圖1 專用夾具三視圖

按一般機械零件設計的銷與夾具體的配合尺寸及公差確定，需由經(jīng)驗方法來確定。通常生產(chǎn)工件的批量較大時，需考慮到夾具的使用壽命，此時可選取有關公差較小些的設計方案。此外，當加工工件的精度要求較低時，可采用相關公差較大的設計方案。

3 鎖芯零件夾具設計方案

3.1 零件本工序的加工要求分析

本工序加工：尺寸為8mm的4個平面銑削。

在本工序加工之前，已對工件進行表面粗加工，即直徑為11mm的圓柱外圓車削。

3.2 確定夾具類型

本文需加工的鎖芯工件尺寸不大，銑削過程中所需切削力較小，因此結合這些加工工藝要求和特征，可采用削孔配合夾具、螺栓加緊方式。

3.3 確定夾具一次加工零件數(shù)量

出于數(shù)控車床加工經(jīng)濟與效率因素考慮，在數(shù)控加工過程中，為達到車床加工時間最大，而且工件裝夾和拆卸時間最短，需要確定最合理的夾具一次加工零件數(shù)量，這樣可以大大提升生產(chǎn)效率。結合文本鎖芯加工的生產(chǎn)情況，設計機床加工時間為：。式中：T表示機床加工的總時間；m表示加工次數(shù)；n表示單次加工零件數(shù)量；、、分別表示加工一個零件用時、機床停機時間、裝夾具時間，其中m×n=300，m>1，n>1。

確定好各變量之后，建立數(shù)學模型，并利用LINGO軟件編程求解。求解結果顯示，最佳結果n=113.9，但是最終數(shù)據(jù)的確定還需考慮到所選數(shù)控銑床的實際情況。本文所選擇的數(shù)控銑床工作臺行程為600mm，夾具總長不超400mm，裝夾尺寸為50mm，且需預留20mm間距，因此在這種要求下，單排零件數(shù)只能取13，但可采用雙排夾具，因此最終n的最佳值為26。

4 專用夾具裝夾零件加工及結果分析

在分析并設計鎖芯工件數(shù)控加工專用夾具之后，需要通過實體加工來驗證專用夾具的性能和效果。由于本文采用的數(shù)控加工工藝，需通過基于Master CAM軟件為平臺驗證應用結果。

在驗證鎖芯工件數(shù)控加工專用夾具的實際應用中，需要進行數(shù)控編程。對實體進行分析，利用ProE NC編程，建立自己的加工模型。具體步驟為：進入Master CAM Mill v9.1工作界面，設置“構圖面”為“F前視圖”，然后進行圓柱實體創(chuàng)建，參數(shù)的確定則選擇上文設計中工件及夾具的具體數(shù)值。圓柱實體創(chuàng)建完成之后設定作圖深度Z為“-13.5”，矩形的寬、高均為8，點位置在中心。接下來進行鎖芯零件實體4個平面創(chuàng)建、3mm槽創(chuàng)建、5mm直徑盲孔創(chuàng)建以及4mm直徑通孔創(chuàng)建。

鎖芯零件實體創(chuàng)建完成之后，進行刀具路徑設計。刀具設計的步驟為：（1）在工作平臺界面點擊“繪圖→矩形→一點”，寬、高均選擇8，選擇坐標原點為圓心；（2）在主功能表中選擇“刀具路徑→外形銑削”，串聯(lián)圖素選擇矩形；（3）刀具參數(shù)中選擇“建立新刀具”；（4）“定義刀具”參數(shù)中，選擇“平刀”，具體參數(shù)選擇為刀長35、肩部30、刀刃25、直徑12；此外“進給率”500、下刀速率300、提刀速率3000、主軸轉速2000，其他參數(shù)默認；（5）刀具參數(shù)確定之后進行外形銑削參數(shù)設定，具體為：安全高度30，深度-23.5，進給下刀位置2，XY方向與流量0.3，Z方向預留量0.1，其他參數(shù)默認；XY平面粗銑與精銑次數(shù)為1，執(zhí)行精修的實際選擇最后深度，且不提刀；（6）Z軸分層銑深中精修次數(shù)為0，且不提刀，最大粗切深度為15，分層銑深順序為依照輪廓。

鎖芯工件實體模型與夾具模型構建完成之后進行專用夾具裝夾零件實體切削的應用驗證。實驗加工結果顯示，數(shù)控機床正常運轉期間，加工一個鎖芯所用的平均時間為2分鐘，而停機等待時間也為2分鐘，那么按照前文設計的雙排夾具26個零件為基本單位時，加工時間的結果對比表現(xiàn)為：單件加工26個鎖芯所用的總時間為154分鐘，其中單就零件加工用時為52分鐘，與采用專用夾具的加工方式相比無優(yōu)化表現(xiàn)，但是采用雙排26個零件的專用夾具加工時，停機時間則僅用10分鐘，而單個加工則需要104分鐘，說明采用專用夾具時停機時間優(yōu)化率高達90.38%。而且從總時間來看，單個加工與采用專用夾具加工的時間對比為154∶62，時間優(yōu)化率為59.74%，這說明采用專用夾具加工時，生產(chǎn)效率大大提升。

參考文獻

[1] 陳飾勇.數(shù)控銑床加工滑桿的專用夾具設計[J].機床與液壓，2015，（8）.

[2] 范淇元.數(shù)控車床專用夾具設計與加工[J].裝備制造技術，2008，（7）.

[3] 張國政，徐小飛，劉順.面向數(shù)控加工的一體多件裝夾夾具設計[J].安陽工學院學報，2014，（7）

[4] 紀紅艷，席文彥.數(shù)控加工中的工藝與夾具設計探討[J].科技傳播，2014，（4）.