廣東省機(jī)械技師學(xué)院 陳柳樸

對(duì)于數(shù)控車床、普通車床或者磨床的等機(jī)加工設(shè)備，夾裝的方法通常有頭夾尾頂或者頭夾尾托兩種，采用這種方法一般是對(duì)套筒類零件進(jìn)行加工。日常最常用的是頭夾尾頂法，主要原理是機(jī)床通過卡盤固定工件外圓，尾部頂尖對(duì)套筒的內(nèi)孔進(jìn)行定位。采取這種定位夾緊方式的優(yōu)點(diǎn)在于先對(duì)基準(zhǔn)孔進(jìn)行定位，并且能夠適應(yīng)不同頂尖的大小，以便能實(shí)現(xiàn)有效固定。而另一種方法頭夾尾托法的原理是中心支架在尾部固定外圓，額外注意的是在安裝過程中需要檢查并保證安裝精度，并且需要對(duì)支架位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)確保零件能夠完全被加工，這些步驟增加了加工時(shí)間。因此為了減少機(jī)加工過程中的工序，同時(shí)確保同軸度、圓跳動(dòng)等保持在一個(gè)高精度上，勢(shì)必要設(shè)計(jì)可以進(jìn)行自動(dòng)定位，固定穩(wěn)定性強(qiáng)，適用范圍廣的夾具，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)效率[1]。

1 數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具工作機(jī)理

數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具的作用主要為自動(dòng)定芯和夾緊，其原理一部分是利用液體的不能夠被壓縮的特性，一部分是基于薄壁套筒能夠自發(fā)進(jìn)行均勻的彈性變形。首先需要將工件固定到薄壁套筒上，同時(shí)把加壓螺釘進(jìn)行固定和定位，然后利用端頭的活塞對(duì)液壓油進(jìn)行施壓，由于整個(gè)型腔是封閉的，其密閉性很好，且整個(gè)型腔的分布均勻，所以液壓油可以將壓力均勻的傳遞到薄壁套筒上，進(jìn)而薄壁套筒會(huì)發(fā)生徑向變形，值得一提的是這里的變形同樣是均勻的。最終能夠使工件精準(zhǔn)進(jìn)行定位和夾緊。當(dāng)螺釘被擰出活塞柱的時(shí)候，液壓型腔內(nèi)的壓力減小，薄壁套筒的材料會(huì)發(fā)生彈性回彈，進(jìn)而使得薄壁套筒進(jìn)行復(fù)位，實(shí)現(xiàn)工件的松開。

數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具的優(yōu)勢(shì)在于工件和夾具的定位方式是通過圓柱面進(jìn)行接觸的，這種定位方式的誤差很小，定芯的精準(zhǔn)度很高。此外，通過液壓油進(jìn)行傳遞壓力，能夠使得薄壁套筒的整體受力變得更加均勻，使得薄壁套筒的變形更加均勻，不會(huì)發(fā)生局部變形大的情況，因此也不會(huì)影響回彈效果，使得回彈過程變得更加流暢。并且薄壁套筒的安裝方式是可以拆卸的，進(jìn)而使得整體夾具的日常修復(fù)變得簡(jiǎn)單。日常工作會(huì)使得夾具部分位置可能發(fā)生磨損、損傷等現(xiàn)象，以及材料的疲勞軟化導(dǎo)致的回彈力不足的問題，從而影響點(diǎn)位精度。因此可以修護(hù)和替換局部零件增加了整體設(shè)備的使用壽命，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本[2]。

1.2 數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具設(shè)計(jì)

1.2.1 套筒類工件夾具的設(shè)計(jì)

如果工件的尺寸較大，基于現(xiàn)有機(jī)床的特點(diǎn)和夾裝方式，夾緊的方式選擇卡盤夾緊主軸端，選擇機(jī)床尾架確保定位精準(zhǔn)，這種定位方式選擇的原因是，首先考慮到數(shù)控車床自身的定位精度很高，不需要對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整，不用增加額外的工序，盡管可能會(huì)影響到加工質(zhì)量，但是選擇尾架定芯進(jìn)行裝夾。在實(shí)際的加裝過程中可能會(huì)發(fā)生頂尖與工件內(nèi)徑或倒角不相匹配的情況，因?yàn)楣ぜc頂尖的接觸面積小，使得接觸不足，在機(jī)加工過程容易發(fā)生振動(dòng)，降低了機(jī)加工過程的穩(wěn)定性，因此需要考慮自適應(yīng)的夾緊方式，所以最終采用了內(nèi)脹式夾緊、尾架定位的方式。內(nèi)脹夾緊工作時(shí)，工件既被夾緊，又同時(shí)旋轉(zhuǎn)，因此夾緊力需要達(dá)到一定的數(shù)值才能實(shí)現(xiàn)工件和夾具的同步旋轉(zhuǎn)。

日常采用經(jīng)驗(yàn)的手動(dòng)式夾緊方式可靠性差，因此需要設(shè)計(jì)液壓控制的夾緊方式，既保證了穩(wěn)定的內(nèi)脹力，還確保了機(jī)械設(shè)備的可靠性。另外，考慮到實(shí)際需求中套筒類的尺寸規(guī)格可能比較多，因此在夾具設(shè)計(jì)的初始階段就要擬定系列化的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。

1.2.2 數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具設(shè)計(jì)

數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具設(shè)計(jì)的技術(shù)要求有如下幾點(diǎn)。能夠完成不同大小工件的定芯和裝夾，且定芯是自動(dòng)的，裝夾穩(wěn)定可靠。額外值得注意的是，采用自動(dòng)定芯夾具進(jìn)行加工，能夠保證工件的加工等級(jí)達(dá)到4～5級(jí)，相對(duì)于傳統(tǒng)定位加工而言，加工精度大大提高。而且在加工過程中不需要對(duì)基準(zhǔn)面進(jìn)行定位，節(jié)省了工作時(shí)間提高了工作效率，同時(shí)保證了加工精度。利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行夾緊，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，可以針對(duì)不同的工件的加裝需求進(jìn)行裝夾。

另外針對(duì)脹緊裝備的設(shè)計(jì)，需要保證高精度的同軸度，對(duì)象一個(gè)是膨脹套，一個(gè)是滑動(dòng)椎體，一般而言同軸度需要保持在0.02mm 左右。同時(shí)還需要限制膨脹套的膨脹范圍，以便可以適應(yīng)不同尺度的工件。為了讓工件的裝夾方式變得更加牢固，增加其可靠性，采取的措施是增加脹緊接觸面積，這樣能夠使得脹緊裝置在漲大及收縮的過程中平穩(wěn)的過渡。最后在選材上需要考慮數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具的強(qiáng)度，應(yīng)該具有較好的耐磨性和耐腐性，而且不會(huì)產(chǎn)生自鎖的現(xiàn)象。

數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具安裝于數(shù)控車床上，其主要有兩大部分組成，一部分為液壓裝置，另一部分為脹緊裝置。其中液壓裝置由缸蓋、缸筒和芯軸等組成，脹緊裝置由滑動(dòng)錐體和膨脹套等組成，此外還有軸承等其余零部件。

1.3 液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓裝置主要有幾部分組成，主要部件為芯軸，作為整個(gè)夾具的支撐結(jié)構(gòu)，芯軸也是作為活塞的作用。其余部分為雙作用液壓缸筒、缸蓋、接頭?；趯?shí)際的設(shè)計(jì)需求，需要確保夾具和尾架能夠進(jìn)行同心裝配，因此采用莫氏錐體結(jié)構(gòu)配合莫氏錐孔，保證二者的同軸度。雙作用液壓缸通常具有兩個(gè)型腔，利用接頭和油路連接，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的進(jìn)油和回油，確保液壓缸能進(jìn)行正常的往復(fù)移動(dòng)。又因?yàn)橐簤焊缀团蛎浱锥咧g具備相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，因此選擇推力軸承用于承受軸向力，同時(shí)能夠確保轉(zhuǎn)動(dòng)的精度。

1.4 數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具的工作原理

數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具通過莫氏錐體和尾座連接。在日常作業(yè)的時(shí)候，通過控制液壓系統(tǒng)，可以使得尾座帶動(dòng)數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)套入工件內(nèi)孔。同時(shí)在復(fù)位彈簧的作用下，膨脹套能夠進(jìn)行徑向和軸向移動(dòng)，使得工件處于被脹緊的狀態(tài)，能夠確保工件與數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具達(dá)到穩(wěn)定的同軸度。待機(jī)加工完成后，通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行減壓，液壓缸筒會(huì)使得膨脹套向尾座進(jìn)行移動(dòng)，而且在彈簧復(fù)位下，膨脹套能夠?qū)崿F(xiàn)徑向收縮和軸向移動(dòng)，使得工件處于放松狀態(tài)。

2 數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具的受力分析

以膨脹套為研究對(duì)象，研究脹緊和送退兩個(gè)階段進(jìn)行受力分析（圖1）。其中FR1為膨脹套外環(huán)面受到的反力，F(xiàn)N1為膨脹套外環(huán)面受到的法向力，F(xiàn)f1為膨脹套受到的摩擦力；FR2為膨脹套內(nèi)圓錐面受到的反力，F(xiàn)N2為膨脹套內(nèi)圓 受到的法向力，F(xiàn)f2為膨脹套內(nèi)圓錐面受到的摩擦力；Ft為彈簧張緊力。同時(shí)以液壓缸的推力作為驅(qū)動(dòng)力，也就是軸向預(yù)緊力，其具體的受力矢量分析如圖2。

圖1 膨脹套受力分析

膨脹套在脹緊時(shí)預(yù)緊力F 通常作為驅(qū)動(dòng)力，由圖2中的矢量圖可以求得F=(FR1cosλ+Ft)×tan(α+λ)+FR1sinλ，因此可以假設(shè)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力不變即軸向預(yù)緊力F 恒定時(shí)，可得到效率：

所以在液壓缸推動(dòng)力的作用下，膨脹套不能進(jìn)行漲大，也就是說(shuō)不能發(fā)生自鎖現(xiàn)象。在回退過程中，軸向預(yù)緊力F 此時(shí)作為阻力可以根據(jù)圖2能夠得到F'=FR2sin(α-λ)-(FR2cos(α-λ)-Ft)tanλ，當(dāng)阻力F 不變的條件下，可以進(jìn)一步計(jì)算出效率：

圖2 膨脹套力矢量多邊形圖

所以經(jīng)分析可知，當(dāng)液壓缸再退回過程中受到復(fù)位彈簧的影響，膨脹套的自鎖現(xiàn)象不會(huì)產(chǎn)生，能夠保證膨脹套完成送退復(fù)位的過程。

3 膨脹套的強(qiáng)度理論校核

根據(jù)液壓系統(tǒng)額定壓力和設(shè)計(jì)缸體的結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算關(guān)于膨脹套的預(yù)緊力，其中，pe為額定壓力，dhs為液壓缸活塞的直徑；dhsg為液壓缸活塞桿的直徑。根據(jù)圖2可對(duì)膨脹套進(jìn)行詳細(xì)的受力分析：

其中，p1為膨脹套的外環(huán)和套筒的平均壓力；p2為膨脹套的內(nèi)環(huán)和滑動(dòng)椎體的平均壓力；B 為膨脹套的寬度；L 為膨脹套的內(nèi)環(huán)和滑動(dòng)椎體的長(zhǎng)度；dm為膨脹套脹緊后的內(nèi)錐面的平均直徑；dmin為膨脹套脹緊后的小端直徑；dmax為膨脹套脹緊后的大端直徑；D 為膨脹套脹緊后的膨脹套的外環(huán)直徑，其具體的參數(shù)如圖3。

圖3 脹緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

以Lame 理論為基礎(chǔ)，考慮分布?jí)毫?duì)膨脹到產(chǎn)生的影響，可計(jì)算膨脹套產(chǎn)生的徑向和周向應(yīng)力：

因?yàn)榕蛎浱淄瑫r(shí)受到軸向力和扭矩的作用，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，可知：

因?yàn)榭梢愿鶕?jù)計(jì)算的等效應(yīng)力，結(jié)合塑性變形條件進(jìn)行強(qiáng)度校核：

結(jié)論：在機(jī)加工套筒類零件時(shí)，傳統(tǒng)的安裝定位方式影響加工效率和加工精度，本文設(shè)計(jì)了數(shù)控車床液壓自動(dòng)定芯夾具，可以在保證精度的條件下，適用更多的加工零部件，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)成本。