消防栓体钻孔组合机床及其夹具结构设计

施兆春

摘 要：消防栓体钻孔组合机床可同时钻栓体左法兰面孔、右法兰面孔及侧面孔，加工效率高，经过调整，机床还可兼容加工长度不同、法兰端面孔位变化的多种规格栓体，经济效益高。鉴于此，对消防栓体钻孔组合机床及其具有兼容功能的夹具设计、动力头设计、滑台选用进行了简要分析。

关键词：消防栓体;组合机床;夹具设计;动力头设计;滑台选用

0 引言

消防栓也叫消火栓，由消防箱、消防水帶、水枪、接口、消防栓体、卡子等组合而成，从消防给水管网取水实施灭火。消防栓体是消防栓的主要零件，一端与水管法兰连接，另一端与消防水带接口法兰连接。消防栓体加工为中批量、多品种共用一台设备。

1 消防栓体主要生产工艺

（1）铸造后时效处理;（2）内腔清砂刷油漆;（3）车两端法兰面，镗孔，倒角;（4）钻两端法兰连接孔、侧面孔;（5）检验。

2 消防栓体专机主要加工内容

消防栓体为铸件，材料为灰口铸铁，材料硬度HB220，专机加工前，已完成两端法兰面、侧面的加工。专机加工内容对应上述生产工艺（4）钻消防栓体的左右法兰面孔和侧面孔，即在70 s（含装卸时间20 s）内完成消防栓体左面4-？准14深30 mm、右面8-？准19深16 mm通孔，侧面？准12.5通沉？准17.5深20 mm复合孔，共计13个孔加工。

3 零件结构分析

壳体零件为中空壳体，形状较复杂，刚性好，材料易加工排屑。零件较重，装卸费力。两端法兰面，孔已加工，完全定位。专机要求兼容多个品种消防栓体零件加工，如图1、图2、图3所示，共3个品种7个规格[1-2]。如图1（a）所示，所有零件剖面形状类似，零件最长L=1 080 mm，最短L=330 mm;左端法兰孔孔径位置尺寸相同，如图4所示，钻4-？准14+0.2  +0.1 mm通孔;右面尺寸略有变化，如图1（b）、图2（a）（b）、图3所示，右面法兰面上4-？准19 mm或8-？准19 mm均布孔，无预作底孔，起始角度分别为45°、22.5°;对面台阶孔孔径均为？准12.5、？准17.5，有预作底孔，孔径余量2 mm，中心偏移小于1 mm，与大孔中心距分别为78.5 mm、75 mm、81 mm，距法兰端面L1分别为26 mm、64 mm、94 mm。

因此，机床要兼容加工多品种零件，专用动力头、夹具的设计以及滑台的准确选用是专机设计成败的关键。

4 机床总体设计

机床总图如图5所示，机床为三面卧式结构[3]，品字型床身01台面上左右分别装左滑台02、右滑台07，左滑台滑鞍上装四轴钻孔动力头03及其传动机构，右滑台滑鞍上装八轴钻孔动力头06及其传动机构，对面装单轴钻孔动力头，钻孔动力头与床身间有垫块。夹具部件04分左右两部分，分别安装在左右滑台的滑鞍上，滑鞍根据零件长短确定位置后锁紧。加工过程中夹具起定位夹紧及钻模导向作用。刀具部件05为高速钢钻头，其他还有润滑部件08、气动部件09、防护部件10、冷却部件11、液压部件12、控制部件13等。

5 机床动作

机床调整完成后，装零件，夹具油缸夹紧工件，关闭防护门，所有钻孔动力头旋转，冷却液打开，左右滑台快进工进（对面动力头自驱快进工进）;加工完成后，冷却液关闭，动力头停止旋转，滑台快退（对面动力头自驱快退），打开防护门，油缸松开，卸工件，开始下一个加工循环。

6 切削参数

图6为机床加工示意图[4]，所有孔设定的线切削速度为v=20 m/min，进给量f=0.2 mm/r;左面？准14孔转速n=455 r/min，每分钟进给量91 mm;右面？准19孔转速n=335 r/min，每分钟进给量67 mm;对面钻？准12.5，扩？准17.5台阶孔转速n=365 r/min，每分钟进给量73 mm。

7 夹具设计

夹具设计除满足工件定位、夹紧的基本功能以外，还需考虑钻头的导向和多个品种兼容功能。如图7所示，以长度1 080 mm为例介绍夹具定位、夹紧设计[5]。

7.1    夹具定位

如图7（d）所示，右边限位块21、22粗限位，如图7（a）所示，定位块12、定位销08/09/10限制工件右端的3个自由度（X、Y、Z方向移动），如图7（c）所示，左边定位块18、19粗限位，定位块分别安装在限位块16、17上，限位块与右夹具体固定连接;如图7（a）所示，定位销08/09/10安装在右端夹具体11上。圆柱销06、菱形销07限制工件左端3个自由度（X、Y、Z方向转动），圆柱销、定位销各自由螺钉紧固在导杆05上，由油缸04驱动压紧。导杆沿导向座03移动，导向座右端安装在左端夹具体01上，左端固定油缸。因此，工件为完全定位。

7.2    夹具夹紧

夹具以侧面孔为基准，右夹具体固定安装在右滑台滑鞍上，与侧面孔位置尺寸调整好后，锁紧滑鞍压板。左夹具体安装在左滑台滑鞍上，锁紧滑鞍压板，油缸驱动夹紧，夹紧力可根据需要调整大小。

7.3    夹具导向

夹具调整完毕，左右夹具体与左右滑台固定，导向时左右夹具体起固定钻模板作用。如图7（e）所示，右边动力头高速钢钻头由右夹具体上4（8）-？准19钻套导向;如图7（f）所示，左边动力头高速钢钻头由左夹具体上4-？准14钻套导向。

7.4    夹具安装

一般机床夹具安装在两个动力头之间的床身上，由夹具垫块调整零件、刀具与动力头位置。本机床零件品种更换带来长度尺寸变化，夹具定位和压紧必须相应变化，将左右夹具体设计为安装在滑台的滑鞍上，滑鞍沿导轨移动。

7.5    品种更换