圓盤類零件的專用銑床夾具設計
2022-7-25 來源：長安大學 作者：魏金
摘要：隨著科學技術的飛速發展，我國機械加工行業發展迅猛，加工效率和質量均得到大幅度提高。同時，機械加工也逐漸趨于自動化和數字化，如數控機床的出現解決了人力短缺、效率低等問題。但數字化加工的出現對夾具提出了更高的要求，對于現有圓盤類零件的銑床夾具安裝和拆卸復雜，嚴重影響工作效率。因此，筆者通過分析此類零件的加工工藝，明確零件的加工部位的技術要求，從夾緊裝置、輔助裝置、定位裝置、夾具體結構設計等方面對該類零件的專用銑床夾具進行了設計。結果表明，設計了加工圓盤類零件的專用銑床夾具，具有結構簡單、操作安全方便、夾緊效率高等優點，可滿足大批量生產的需求。
關鍵詞：銑床；銑削加工；夾具設計
0 、引言
隨著我國機械加工技術的不斷成熟，對于機床夾具的要求也越來越高。夾具在減少生產成本的同時，能大幅度提高工作效率；同一個夾具可以盡可能多地裝夾不同規格和形狀的零件；應用場合多，可以應用在各種現代化制造加工的場合以及對零件加工精度要求較高的場合；進一步提高夾具的標準化程度；以液壓、氣壓作為夾緊裝置的源動力，節省人力成本。夾具的發展大致可以分為三個階段：第一階段，夾具在各種零件的加工中僅僅被視為最基本的部分，只滿足被加工零件夾緊的要求；第二階段，由于被加工零件的精度要求越來越高，與被加工零件緊密接觸的夾具的精度和剛度要求逐漸提高；第三階段，數字化加工時代的到來，各種夾具的自動化和適應性得到進一步提升。
如今，機械加工已經向著數字化的方向邁進，比如，各種數控機床的出現，它在一定程度上可以實現無人加工，這極大地降低了人工成本且提高了生產效率。圓盤類零件在農用機械中是一種常用的零件，筆者設計了加工圓盤類零件的專用銑床夾具，以滿足大批量生產的需求。
1、零件的工藝路線分析
被加工零件的零件圖如圖 1 所示，該零件材料選用的是 20Cr。這類零件雖然結構簡單，但是加工精度要求較高，可大批量生產。此加工過程采用數控加工工藝，不僅能大幅度提高零件精度，還能提高整體加工效率。根據現有的機加工方法，對本零件進行工藝分析。加工工藝路線如表1所示。
圖1 零件圖
表1 圓盤類零件加工工藝路線
2 、數控銑床加工內容
2.1 圓盤類零件的原始材料分析
根據設計任務的要求，需要設計加工此零件有十字槽的一面，用銑床加工，包括銑內腔、十字槽、缺口、銑型腔、锪孔、鉆孔、攻絲。所以對夾具和刀具的定位要求比較高。另外，本零件生產需求量較大，所以，需要嚴格控制成本且要提高生產效率。
2.2 主要加工工序及參數選擇
該零件的下表面為銑床加工，主要工序及參數如下：
1）銑40×40，深5的型腔。根據零件的技術要求，切削深度取5 mm；查閱《數控加工工藝與編程》，得知銑削的最佳速度為 55 m/min～120 m/min，這里取90 m/min；
2）锪4-ø9深2的孔。根據加工的實際情況，锪孔的切削深度取 2 mm；銑削速度取 100 m/min；由轉速公式n=1 000 Vc/πd，計算得主軸轉速n=2 000 r/min；通過計算得進給量為1 000 mm/min。
3）精銑十字槽。根據零件圖上對于十字槽的加工要求，切削深度與十字槽深度保持一致，取6 mm；通過查閱《數控加工工藝與編程》，銑削速度取100 m/min；主軸轉速公式為 n= 1 000 Vc/πd，刀具直徑 d 為 8 mm，計算得轉速 n 為 1 955 r/min，實際取值 2 000 r/min；通過計算得進給量為700 mm/min。
4）锪 ø20 內腔。根據加工的實際情況，锪 ø20內腔的切削深度取 6 mm；銑削速度取 100 m/min；由 轉速公式 n = 1 000 V c / π d ，計算得主軸轉速n=1 993.2 r/min，實際取值 2 000 r/min；通過計算得進給量為 1000 mm/min。
3、專用銑床夾具設計
3.1 設計概論
夾具的作用是迅速、方便、安全地安裝和夾緊被加工零件，設計夾具時需注意以下幾點：
1）夾具中的定位元件能準確確定被加工零件與刀具、機床的相對位置，便于提高被加工零件的精度；
2）夾具的剛度需足夠大，防止定位元件和支承元件發生變形，盡量使得定位元件不受到力的作用，以免影響工件精度；
3）夾具能快速實現夾緊和拆卸被加工零件，盡可能減少輔助時間，提高生產效率；
4）夾具能適用于多種加工工藝場合，如車床、鉆床、鏜床等，進一步提高夾具的使用價值。
3.2 夾具結構設計
3.2.1 確定工件的定位方案
根據六點定位原理，由于該專用夾具裝夾的是圓盤類零件，所以除 z 軸的轉動自由度不需要限制外，x、y、z 的移動自由度和 x、y 的轉動自由度均需要限制。所以，采用固定 v 形塊和活動 v 形塊來限制 x、y 的移動自由度，采用兩個支承板來限制 x、y 的轉動自由度以及z的移動自由度。
定位元件包括固定 v 形塊、活動 v 形塊和支承板，其中固定v形塊和活動v形塊的材料選用20鋼，且滲碳的深度為0.6 mm～1.0 mm，熱處理為55 HRC～62 HRC；支承板分為平板式和斜槽式，材料選用 20鋼，滲碳深度為0.6 mm～1.2 mm，熱處理為55 HRC～62 HRC。
3.2.2 確定工件的夾緊方案
1）夾緊系統的組成。夾具的夾緊系統由三部分組成，分別是動力源、傳力機構、夾緊元件。動力源可以是液壓驅動，也可以是電驅動，但考慮成本和夾具的簡易性，本夾具動力源采用人力；傳力機構是動力源和夾緊元件之間的重要媒介，傳力機構能直接影響夾具的夾緊效率和夾緊的質量，由于螺桿是最常用的傳力機構，且具備良好的自鎖性，因此本夾具的傳力機構選用螺桿；由于被加工零件為圓盤，同時考慮到加工精度，選用夾緊精度較高的v 形塊，v 形塊是標準件，易加工制造，且成本較小。
2）夾緊機構的選用。該專用夾具采用螺旋機構夾緊，其具有擴力比大、夾緊效率高、自鎖性好等優點。該機構是從斜楔夾緊機構轉化來的，通過轉動與壓緊螺釘相連的手柄就可以使得活動 v 形塊沿導軌水平移動，從而夾緊和松開工件。
3）夾緊力的計算。根據力矩平衡的原理，可以得到螺旋夾緊機構的夾緊力 Q為：
式中：P 為源動力（N）；L 為力臂（mm）；rz為螺紋中徑的一半（mm）；r1為壓緊螺釘端部的當量摩擦半徑（mm）；φ1為摩擦角（°）；φ2為螺桿端部與工件處的摩擦角（°）；α為螺旋升角（°），通常取2°～4°。
經過計算，得到的夾緊力 Q=5 320 N。
3.2.3 輔助裝置
1）對刀裝置。一般夾具上的對刀裝置的類型主要分為成形刀具對刀裝置、高度對刀裝置、直角對刀裝置、組合刀具對刀裝置。
加工表面以及零件的結構決定對刀裝置的類型。由于該道工序使用數控銑床來加工十字槽，因此選用直角對刀塊，材料選用 20鋼，熱處理55 HRC～60 HRC。
2）定位鍵。為了確保夾具體與機床工作臺緊密貼合不發生相對位移，同時提高被加工零件的加工精度，夾具體與機床工作臺之間需要用定位鍵連接，且需要成對使用以進一步提高連接的穩定性。定位鍵有矩形和圓形兩種結構，圓形定位鍵，一般應用較少。矩形的定位鍵最常用，其又可以分為兩種結構，一種是在鍵的側面開有溝槽的，鍵分為上下兩個部分，其中上部分與夾具體地面的縱向槽配合，部分與機床工作臺上的 T 形槽相配合；另一種是上下兩部分尺寸相同的矩形鍵，它經常應用在精度要求不高的場合。為了使夾具體與機床工作臺的緊密貼合，選用第一種矩形鍵。定位鍵的材料選用 45 鋼，熱處理為 35 HRC～40 HRC。
3.2.4 夾具體設計
1）夾具體結構的選用。由于各個零件的加工要求均不相同，導致夾具體很難標準化。夾具體大體可分為開式、半開式和框式三種結構，考慮到排屑，選用開式結構；為使廢屑沿斜面自由滑下從而排出夾具體外，采用切屑自動排除結構，這種結構是在夾具體上表面專門設置斜面來排屑，適用于廢屑比較多的場合；考慮到夾具體能快速安裝于銑床上，在夾具體底部設置縱向T型槽。
2）夾具體毛坯的選用。夾具體毛坯一般包括焊接式、鑄造式、鍛造式和組裝式。由于鑄造式可以鑄造出各種形狀的夾具體，且鑄造的方法具有制造簡單、成本低、生產時間較短等優勢，因此夾具體的毛坯選用鑄造式。
3）排屑機構。排除廢屑一般有兩種方案：增大容屑空間和自動排屑機構。增大容屑空間是指進一步增大儲屑槽的體積，以防止體積過小導致廢屑不能及時排出，從而影響到刀具的工作；自動排屑機構一般是設置斜面讓工作中產生的廢屑由斜面自由滑落，這種排屑方法結構簡單、排屑效果好、能減輕夾具體整體的質量，相比于增大容屑空間的方法，不需要額外設置儲屑槽。綜合兩種方法的優缺點，選用設置斜面的方法以實現自動排屑。
3.3 夾具裝配圖繪制銑床夾具裝配圖如圖2 所示
圖2 夾具裝配圖
4 、小結
筆者討論了數字化加工背景下機床夾具需滿足的要求，并針對圓盤類零件的銑床加工工藝，在機械設備制造、數控機加工工藝等課程的基礎下設計了該零件的專用銑床夾具，其具有結構簡單、操作安全方便、夾緊效率高等優點，使得圓盤類零件的生產效率得到進一步提高。同時，對其他類型機床夾具的設計具有一定的參考意義。
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