邢圓圓，賀辛亥，董紅坤，程稼稷，張志毅

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710048)

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一種清潔型薄壁異型件夾具設(shè)計(jì)*

邢圓圓，賀辛亥，董紅坤，程稼稷，張志毅

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710048)

摘要：對(duì)薄壁異型件夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)。充分考慮到薄壁零件剛度低，加工工藝差的特點(diǎn)，針對(duì)零件的特殊要求，提出了相應(yīng)的定位和夾緊方案。通過Pro/ENGINEER軟件環(huán)境下對(duì)零件和夾具進(jìn)行了三維模型設(shè)計(jì)，使得該夾具的設(shè)計(jì)直觀化。并通過對(duì)其定位誤差和夾緊力的理論計(jì)算分析，證明該設(shè)計(jì)能夠滿足此薄壁零件的加工工藝要求。

關(guān)鍵詞:薄壁異型件夾具設(shè)計(jì)定位誤差?yuàn)A緊力

眾所周知，工裝夾具是工藝裝備的重要組成部分，是工藝過程中最活躍的因素之一，并直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)效率及加工成本[1-2]。在機(jī)床夾具中，專用夾具的設(shè)計(jì)過程是一項(xiàng)周期長，投資較大并且其結(jié)構(gòu)隨著產(chǎn)品的更新而變化的過程，薄壁異型件由于其剛度低，易變形的特點(diǎn)[3]，設(shè)計(jì)一種薄壁異型件的專用夾具就顯得尤為重要。針對(duì)異形件的獨(dú)特性，專用夾具的針對(duì)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便迅速的優(yōu)點(diǎn)使得在加工中專用夾具得到廠家的青睞。本文即是設(shè)計(jì)了一種保證薄壁異型件在加工過程中不受切削熱和鐵屑的影響，達(dá)到一種清潔型的目的夾具。

1加工工藝分析

薄壁零件如圖1所示，材料為鋁合金。鋁合金薄壁件剛度低，加工工藝性差是本工序的加工難點(diǎn)。本工序要求去掉紅色輔助定位凸臺(tái)，加工時(shí)零件加工精度TA如圖1(b)所示在±0.1 mm范圍內(nèi)且切屑不能進(jìn)入零件內(nèi)部。從零件形狀及材料分析，采用端面銑削方法；從精度要求分析，其要求相對(duì)較低，加工步數(shù)可相對(duì)減少；從排屑的特殊要求分析，運(yùn)用覆蓋加工法進(jìn)行加工[3]。

銑削加工時(shí)切削用量和切削力較小，而且是連續(xù)切削，因此產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)也較輕[4]，所以本次專用夾具設(shè)計(jì)主要考慮工件夾緊的可靠性。

(a)薄壁件三維實(shí)體圖　　　　(b)薄壁件的側(cè)視圖圖1　薄壁件三維實(shí)體圖和薄壁件的側(cè)視圖

2夾具的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過對(duì)加工零件的工藝分析和研究，本文設(shè)計(jì)出了一套專用夾具，該夾具的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

(a)夾具的剖視圖　　　　　　　(b)夾具的剖視圖11.壓板；12.移動(dòng)柱塞；13.彈簧；14.墊塊；15.旋轉(zhuǎn)定位銷；16.輔助支撐釘；17.定位板；18.密封墊片；19.弧形V型塊；20.導(dǎo)向塊。圖3　夾具的剖視圖

薄壁零件在夾具里通過弧形V型塊19，窄定位板16完成空間六個(gè)自由度的完全定位。考慮到薄壁件的空間形狀以及加工難度故增加輔助支撐釘17用以輔助定位夾緊。用過偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)10和螺旋夾緊機(jī)構(gòu)1對(duì)零件夾緊。由于對(duì)零件變形度要求較高，因此在夾具工作過程中從吹氣孔8一直持續(xù)以固定流速向夾具體里吹冷氣，減小因加工而產(chǎn)生的熱變形。此外夾具結(jié)構(gòu)還包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)3、墊塊14、導(dǎo)向塊20等部分。

3夾具定位夾緊分析計(jì)算

3.1夾具定位精度分析計(jì)算

定位誤差是由于工件在裝夾過程中定位不準(zhǔn)確引起的加工誤差。引起定位誤差的原因有兩個(gè)：一是由于定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合，叫基準(zhǔn)不重合誤差ΔB；另一個(gè)是由于定位基準(zhǔn)在夾具中定位不一致，叫定位基準(zhǔn)位移誤差ΔY。定位誤差ΔD是二者的綜合，可表示為[2](以下精度分析都是在考慮誤差最大和最差的情況下進(jìn)行的)：

ΔD=ΔY±ΔB[5]

(1)

弧形V型塊產(chǎn)生的移動(dòng)誤差計(jì)算如下

=0.31

(2)

式中：R——薄壁零件直筒部分外部半徑的基本尺寸(mm)；

R1、R2——薄壁零件直筒部分外圓最大、最小極限偏差(mm)；

d1、d2——弧形槽弧形上、下極位點(diǎn)尺寸(mm)。

基準(zhǔn)不重合誤差計(jì)算如下：

ΔBV=2×51.5×sin0.025=0.044

(3)

定位板產(chǎn)生的移動(dòng)誤差為：

ΔYP=0

(4)

定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合誤差為：

ΔBP=2×51×sin0.025=0.044

(5)

將兩個(gè)定位元件產(chǎn)生的定位基準(zhǔn)投影到工序尺寸方向，其代數(shù)和即為定位誤差[6]，可得：

ΔD=(ΔYV×cos18.5×sin9.3-ΔBV)+ΔBP

=0.047

(6)

綜合公式(1)-(6)有：

(7)

分析可見精度能夠達(dá)到要求。

3.2夾具主要部分的夾緊力分析計(jì)算

精確計(jì)算夾緊力比較困難，但為確保夾具設(shè)計(jì)的合理、可靠仍然要對(duì)所需的夾緊力盡可能的估算[7]。經(jīng)過查手冊得到切削力Fs為10.7N。其加工為端面銑，因此工件受力偶矩，靜力平衡時(shí)為一空間力偶系。

采用BILZ提供的算法，計(jì)算得切削扭矩為：

(8)

式中：d為加工面最大直徑，a為切削寬度(mm)。

由空間力偶系平衡方程[8]得出：

(9)

∑My(F)=F1×6+F2cos69.7×50.2-→

←Mcos57.5=0

(10)

式中：F1為槽型V型塊夾緊部分夾緊力(N)；F2為輔助定位部分夾緊力(N)；D為零件直筒部分外直徑半徑(mm)；l為壓板11尺寸(mm)；μ為摩擦系數(shù)，這里取0.25。

綜合公式(8)(9)(10)就得：

F1=2.7N

(11)

F2=0.7N

(12)

計(jì)算出理論夾緊力F，再乘以安全系數(shù)K，作為實(shí)際所需夾緊力F0。即：

F0=KF[9]

(13)

式中：F0——實(shí)際所需的夾緊力N；

F——按力的平衡條件計(jì)算出的夾緊力N；

K——安全系數(shù)。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般取 1.5～3，因薄壁件剛度差，這里取1.5。則實(shí)際夾緊力：

F10=4.05N

(14)

F20=1.05N

(15)

3.3偏心杠桿夾緊裝置夾緊力的分析計(jì)算

螺旋夾緊機(jī)構(gòu)在垂直方向上的分力為[10]：

F′=F20sin29.5cos69.7=0.26N

(16)

則偏心杠桿夾緊裝置夾緊力：

FP=K(F10+ F′)/2=6.5N

(17)

這里K取3。

4總結(jié)

1)通過該套夾具的設(shè)計(jì)解決了同本文介紹的這一類薄壁異型件在機(jī)床上難以加工的工藝難題，也為其他的薄壁異型件的加工提供了實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

2)該夾具采用偏心杠桿夾緊機(jī)構(gòu)，保證了工件的定位精度及夾緊強(qiáng)度，同時(shí)也大大縮短了加工薄壁異型件零件的裝夾時(shí)間。

3)該夾具采用覆蓋加工法，避免了加工后的鋁屑對(duì)于薄壁異型件表面的刮傷。

4)該夾具工作過程中從吹氣孔一直持續(xù)以固定流速向夾具體里吹冷氣，減小薄壁件因加工而產(chǎn)生的熱變形。

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中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)03-0015-03

基金項(xiàng)目：陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013K07-20)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)項(xiàng)目(2015116)。

作者簡介：邢圓圓(1990-)，男，漢族，湖北隨州市人，在讀碩士研究生，主要從事三維編織機(jī)的研發(fā)。

通訊作者：賀辛亥(1971-)，男，西安工程大學(xué)教授，博士，主要從事復(fù)合材料成型技術(shù)的研究。

收稿日期：2015-11-18

Design of a fixture for thin-walled special-shaped parts

XING Yuanyuan, HE Xinhai, DONG Hongkun, CHENG Jiaji, ZHANG Zhiyi

Abstract:We designed a fixture for thin-walled special-shaped parts. Considering the low rigidity and poor processing technology of thin-walled parts, we put forward corresponding positioning and clamping schemes. Through 3D modeling of the part and the fixture by Pro/ENGINEER, we visualized the design scheme. By calculating the position error and clamp force, we proved that the design could meet the processing requirements of the thin-walled parts.

Keywords:thin-walled special-shaped part; fixture design; position error; clamp force