圆环式薄壁夹具的设计

王 新 吕海波 孙 琦

(1.辽宁省数控机床信息物理融合与智能制造重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.沈阳工学院，辽宁 抚顺113122)

0 前言

我国的薄壁夹具研究始于20世纪60年代左右，当时建立了面向工业的保定向阳机械厂，后又建立了数个生产组合夹具元件的工厂。20世纪80年代以后，独立开发了适合NC机床、加工中心的孔系组合夹具系统，基本满足了我国国内的需求。现今，内撑装置从桥梁、航空、地铁、军工、隧道等产业可以看出发展得非常快。内撑装置要从工作效率、人工成本、产品合格率等效益考虑，才能从现在竞争社会中脱颖而出。但是，由于技术的需要，每年依旧需进口不少薄壁夹具，价格昂贵，加大了生产成本。国内薄壁夹具基本上是基于内三爪卡盘的形式，容易引起工件变形[1]，夹紧力过于集中，需要多次调整，浪费时间，难以提高作业效率，基于此对圆环式薄壁夹具进行研究，能够降低人们的劳动强度和提高生产率，提高效率、保证焊接质量，防止薄壁工件的变形。

1 总体方案的确定

为了实现薄壁夹具在作业过程中高速度、高效率的功能。本文设计了一个新的夹具机构，主要的内支撑元件采用圆形楔块的形式，同时结合菱形推杆结构，完成内支撑的作用。方案的设计能够满足准确定位和减小焊接变形问题，不需要与其他机床设备组合使用。圆环式薄壁夹具的大体结构分为5部分：定位元件、夹紧元件、驱动部分、支架部分、传力机构。定位元件采用环形2片式组合形式，防止受力点集中，同时采用环形结构，刚度大，质量轻，受力效果好。夹紧元件与定位元件结合，通过传力机构，将夹紧力传递给工件。传力机构采用菱形推杆形式，当需要夹紧工件时，利用驱动部分带动菱形推杆动作，使2片环形内撑动作，当与薄壁工件接触后，停止动作，完成定位，继续增加推杆动作，使工件夹紧。而支架部分主要承载着需要加工的零件以及薄壁夹具部分。

2 定位方式的设计

定位方式对于圆形零件来说，常常采用外圆定位和内孔定位2种形式[2-3]。外圆定位常常采用V型块，定位套，但是对于薄壁筒来说，长V型块只限制4个自由度，需要轴向限制其他自由度，对于薄壁筒来说，轴线方向定位较难。而利用定位套能够满足定位方案，但是对于大型薄壁筒来说，定位套的设计也需要与零件相匹配，同时要考虑后期夹紧方式就不好设计了。当采用内孔定位时常采用定位心轴，定位销和圆锥销的形式，此种方式都能够很好地限制工件自由度。通过分析薄壁工件的结构特点，同时结合定位方式采用内孔定位能更好地完成焊接加工过程。由于薄壁工件需要旋转完成对接焊接过程，因此对于该种零件采用不完全定位的方式，经过对比分析采用定位心轴的结构形式[4-5]。本次设计采用长圆环作为定位心轴，限制了工件的2个移动和2个旋转自由度，一共4个自由度，同时一端采用小端面的形式，限制了移动的自由度，由于工件需要旋转，因此不需要限制旋转的自由度，定位合理准确。同时圆环还能够减少定位元件的重量，节约成本，提高效率。

内撑圆环部分直接作用在加工工件上，因此其尺寸应该根据具体加工工件的尺寸确定，本次设计以薄壁工件内径为500mm，因此内撑圆环部分的直径设计为490mm，同时圆环设计成2个部分，中间留出间隙，也可以做成三瓣的形式，因为三瓣设计形式本身有自定心的作用，可以省略圆度测定的功能，但是有些情况下，三瓣形式需要在中间设计间隙的时候，会出现间隙不均匀的情况，所用本次设计采用两瓣的圆环设计，也可以在后期夹紧时候能够调整。

4 夹紧装置的设计

夹紧装置通常有3种常用的夹紧机构，斜楔型夹紧机构、螺旋型夹紧机构和凸轮式夹紧机构。传统的夹紧机构具有结构简单，制造容易，夹紧可靠，而且扩力比较大，螺旋型夹紧行程不受限制，自锁性好，夹紧动作慢等特点，应该比较广泛。而且夹紧机构在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点。手动夹紧的夹紧机构还应具有良好的自锁性，以保证人力的作用停止后，还能可靠地夹紧工件。同时夹紧力方向与作用点选择也是非常重要的。主要考虑夹紧力应朝向主要限位面；夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内；夹紧力的作用点应靠近工件的加工表面。

在设计夹紧装置和夹紧元件时，主要考虑径向变形情况，本文设计的夹紧方式是采用圆环形式，即内撑圆环既作为定位元件，又作为夹紧元件，内撑的圆环圆度和大小与薄壁筒的大小相适应，同时，圆环的重量也不需要太重，因此夹紧过程中增加了夹紧装置和零件的接触面积，同时使得薄壁筒受力均匀，减小了在焊接过程中的变形，设计合理，准确。

4 其他部分的设计

驱动部分可以是手动的形式，也可以采用液压或者电动形式。如果所加工的产品属于单件小批量生产类型时，可以采用手动的形式，利用手柄旋转，带动传力机构传给菱形推杆，菱形推杆动作使内撑圆环张开，完成动作。如果大批大量生产时，可以采用液压形式，利用液压泵带动传力机构动作，完成定位和夹紧。支架部分通常设计成整体式结构铸件形式，结构稳定，不容易变形。同时运送工件的小车也是重要的部分，小车在轨道上行走，可以节省工人运送工件的时间。

5 结语

本文主要通过对薄壁工件的圆环内撑夹具设计，此装置目前在桥梁、隧道建筑业中常见，但是在工业中很少，在阅读分析了大量资料后，设计出了比较合理的圆环内撑夹具，该装置可以大大降低零件加工过程中的变形，加工过程中容易保证加工质量，该设备结构简单，实用，同时满足实际的生产需求，但也存在不足之处。比如同轴度要经常检查，运输装置过于庞大，由于物件太大，装置占地空间大，部分操作还存在手动调节，在上下物料时搬运可能会出现变形，但是该装置并没有实现全自动化。