磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具设计和分析

刘薇娜，陈莎莎，杨立峰

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

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

0 引言

磨粒流机床是使用聚合物载体和磨料组成的具有流动性的粘弹性材料对工件进行抛光、去毛刺和倒圆角等加工的机床。磨粒流机床主要包括两个垂直或者水平相对的磨料缸。磨料缸经液压夹紧，将工件和夹具固定在当中，磨料通过工件从一个磨料缸进入另一个磨料缸，往复运行，完成加工。磨粒流机床夹具使工件位于适当位置并且引导磨粒流到待加工表面进行磨削加工，并且夹具需要与工件形成较小的空间通道来使磨料在狭小通道中进行有效的加工。但是在磨粒流抛光机床上对工件进行抛光时，往往需要针对被抛光零件的形状尺寸，设计出一套专用夹具；当零件形状尺寸变化时，对应的夹具就不再适用，需要重新设计夹具，成本昂贵，设计、制造周期长。当被抛光零件种类多时，所需夹具数量众多，致使夹具设计、制造工作量增大，造成人力、物力、资源的巨大浪费，经济性差。

针对磨粒流机床夹具存在的局限性，通用性差的问题，结合常用磨粒流机床加工的零件及零件尺寸，设计出磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具。实现更高的通用性，缩短设计、制造周期，降低成本。并通过理论分析及有限元分析其在的工作压力下夹具体的应变情况，根据所得的分析结果对夹具再进行优化，以满足性能要求。

1 磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具性能

夹具设计需满足使用过程中工件定位的稳定性和可靠性；要有足够的承载或夹持力度；要满足装夹过程中的简单与快速操作；满足夹具在调整或更换过程中重复定位的可靠性；要尽可能的避免结构复杂、成本昂贵。磨粒流机床夹具不仅要满足普通机床夹具的性能要求还要对零件起定位作用且封堵住不需要进行加工的地方，辅以磨粒流磨料能够运动到被加工的地方，从而对加工表面去毛刺和倒圆角。磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具是在实现普通磨粒流机床夹具的基础上实现“一体”即一个夹具体；不论被抛光零件形状、种类、数量如何变化均在一个夹具体上进行零件的定位、装夹。夹具体与机床相连接部分采用螺栓连接，通用、方便、成本低。“内嵌多模块组合结构”即在夹具体内部，根据被抛光零件的形状、尺寸的不同，只需更换与之相应的内嵌模块，形成与之相对应的夹具，使之具有广泛的适应性，即结构柔性。

2 磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具设计

2.1 磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具导流套设计

当磨粒流从空间较大的机床磨料腔进入夹具内部时会因为腔径的急剧变小而产生弹性湍流产生宏观喇叭口现象及流速不均匀影响抛光精度。因此需要设计一导流套来解决此问题。导流套需直径缓慢变小以解决弹性湍流问题。由于磨粒流机床磨料在加工腔体内都是往复运动实现加工，因此还需要一个倒流套来解决磨料回流过程中产生的弹性湍流现象。

2.2 磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具多模块载体设计

图1 倒流套图

多模块载体需要实现被抛光零件的形状、尺寸的不同，只需更换与之相应的内嵌模块，形成与之相对应的夹具，使之具有广泛的适应性，即结构柔性。如图2所示磨料流出通过弧形通道，螺纹孔用来做各部分连。接连接部分采用螺栓连接，通用、方便和成本低。

图2 多模块定位板图

2.3 磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具实例应用

以抛光一圆柱齿轮为例，首先需要限制其自由度，其次需要形成合适的空间以实现良好的磨粒流抛光效果。

图3 直齿圆柱齿轮夹具示意图

如图3所示，1导流套可以有效解决弹性湍流问题，提高磨料压力，增大切削力，提高加工效率。2导流套引导磨粒流运动方向，使参与磨削的磨粒在同一方向，增大磨削力。在5多模块载体上选择适用于齿轮尺寸的螺纹孔，与定位座7联接，将齿轮8放到定位座7上，齿轮8的X、Y方向的轴向自由度、径向自由度被限制，再安装9垫片、10螺母、11堵头，既限制磨粒流流向，又限制齿轮在Z方向的径向自由度。选择合适尺寸的内套筒4，形成合适的磨粒流加工腔道。下导流套12既可以在磨料向下流动时，降低磨料压力，提高下流速度，还可以在磨粒回流时解决弹性湍流问题，提高磨料压力，增大切削力，提高加工效率。为防止磨料泄漏，有联接部分安装6密封圈。外套筒3既可以防止在有磨料泄漏时泄漏到机床上，还可以增加整个装置的刚度，增大机床使用时的压力范围，更进一步提高机床的适用性。整个装置不仅完成了齿轮磨粒流加工的定位需要，而且齿轮尺寸改变时，只需更换一个合适尺寸的内套筒4，无需再设计夹具，费用降低，效率提高，整个夹具的适用范围大大增加。

假设加工零件换成一喷油嘴，如图4所示，只需更换堵头，不再使用螺母和垫片。直接将喷油嘴12安放到定位座7中，然后拧上中心带有孔的堵头13。堵头13即可以限制磨料直接流向喷油嘴，还可以防止磨料流入套筒。既实现加工需求，又快捷、方便，提高生产效率，缩短夹具设计、制造周期，降低成本，很好地实现了通用性。

图4 喷油嘴夹具示意图

3 分析验证

磨粒流机床的压力范围通常在,假设所有压力均加在夹具上并且取极限值。通过CATIA应力分析模块加载结果如图5和图6所示。其中图5为加工件为齿轮时夹具所受应力，图6为加工件为喷油嘴时夹具所受应力。由图可知此夹具安全可行。

图5 直齿圆柱齿轮夹具应力图

图6 喷油嘴夹具应力图

4 结论

本文通过对现有磨粒流机床夹具存在通用性差问题进行了探讨和研究，针对存在的问题，设计了磨粒流机床一体内嵌多模块组合式夹具设计，夹具体多模块载体固定在下导流套并与夹具套筒固定，夹具体压板与上导流套固定。整个内嵌模块固定在夹具体下导流套上。夹具体的上下导流套与机床连接。被加工零件形状差异很大时，更换内嵌模块；差异不大时，更换零件既可。并且通过分析软件验证了此夹具的合理性与可实现性。此磨粒流机床夹具操作简单，效率高，经济性好。

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