自动钻孔工装设计

唐彬，陈玲

（湖南飞沃新能源科技股份有限公司，湖南 常德 415700）

0 引言

目前，在进行轴类零件加工时，特别是在进行径向钻孔加工时，通常采用以下3种夹紧定位方式：1）V形块结构和轴向定位的方式；2）采用压板来夹紧工件的方式；3）直接采用虎钳对工件进行夹紧的方式。这样会存在许多问题，比如在加工过程中容易造成钻头错位，从而导致钻头受力不均匀而断裂，钻孔的质量差；而且工人的生产劳动强度大，生产效率低下，且有生产安全隐患。

为了解决上述问题，我们研发设计了一种自动钻孔工装，这种夹具的结构简单，操作方便可靠，既提升了产品质量，又提高了生产效率，还避免了生产的安全隐患。

1 零件分析

加工生产零件的结构如图1所示，该零件为圆柱形，采用的材质为合金钢，每年生产量为56万件，在进行螺纹加工的时候，首先需要进行预钻孔工序，由于孔的加工位置在圆弧面上，因此，必须设计专用的钻床夹具。

图1 产品结构图

2 夹具的结构设计及其工作原理

2.1 结构设计

在对该零件进行径向钻孔时的钻床夹具结构如图2所示。该钻孔工装夹具包括上料机构、夹紧机构和下料机构。

图2 整体示意图

2.2 工作原理

该钻孔工装夹具的工作原理如下：

第一步，上料动作。首先将圆柱状物料放置在物料盒9内，物料盒内装有感应器，当感应器检测到物料盒9中的圆柱状物料，感应器将信号反馈给PLC控制系统，PLC控制系统通过控制阀组使气缸7顶杆缓慢上升，气缸7的活塞杆带动顶料板8缓慢上升，顶料板8的顶面加工有圆弧结构，圆弧结构的圆弧为斜率递减的曲线，顶料板8通过圆弧结构带动圆柱状物料缓慢上升，当顶料板8上升到一定位置后，由于圆弧结构的圆弧为斜率递减的曲线，圆柱状物料由于自重会自动滚落，从而到达上料斜坡6，由于上料斜坡6左高右低，圆柱状物料由于自重会继续顺势滚动到夹具体14上的料槽16上，料槽16的上平面加工有圆弧槽并设计有挡板5，圆弧槽和挡板5能有效放置圆柱状物料继续向外滚动后掉落。

当圆柱状物料滚动至料槽16上，感应器感应到圆柱状物料后将信号反馈给PLC控制系统，PLC控制系统控制气缸12的活塞杆开始向外伸出，气缸12的活塞杆到达至设定位置后将信号反馈给PLC控制系统，PLC控制系统控制气缸4的活塞杆开始伸出，圆柱状物料被气缸4的活塞杆推进至工装体内与气缸12的活塞杆紧贴，从而完成上料动作。

第二步，夹紧动作。当圆柱状物料在轴向完成定位工序后，PLC控制系统控制油缸1和油缸10顶杆向外伸出，从而带动夹板3夹紧圆柱状物料，完成圆柱状物料在径向上的固定，然后开始钻孔加工。

第三步，下料动作。在钻孔加工完成后，PLC控制系统控制油缸1和油缸10的活塞杆缩回，从而带动夹板3进行回缩运动，同时PLC控制系统控制气缸12的活塞杆进行回缩运动，当回缩动作完成后，PLC控制系统控制气缸4的活塞杆继续向外伸出，从而推动圆柱状物料至物料盒9外的设定位置，然后PLC控制系统控制气缸4的活塞杆回缩至初始位置，接下来，PLC控制系统控制气缸11的活塞杆向外伸出，气缸11的活塞杆推动圆柱状物料至下料机构15上，由于下料机构15有左高右低的斜面，圆柱状物料由于自重会滚落至下料口，下料机构15的下料口处有方形孔被加工在底板2上，最后实现圆柱状物料的自动落料动作。

2.3 上料机构

如图3所示，上料机构包括物料盒1、顶料板2、上料斜坡3、挡板4、料槽5和气缸6，物料盒1内放圆柱状物料的表面设有一定斜度，当圆柱状物料放置在物料盒1内，由于自重能自上而下进行滚动，物料盒1的底部设有顶料板可以穿过的孔，当圆柱状物料滚动至物料盒1的底部后，PLC控制系统控制气缸7带动顶料板2作缓慢上升运动，顶料板2带动圆柱状物料进行缓慢上升，顶料板2上表面为圆弧结构，圆弧结构的圆弧为斜率递减的曲线，圆柱状物料上升到设定位置后，由于自重和圆弧结构会使圆柱状物料自动滚落到上料斜坡3上，由于上料斜坡3的斜面，圆柱状物料由于自重会继续在斜面上滚动至料槽5上，料槽5旁固定有挡板4，通过料槽5和挡板4对圆柱状物料进行定位，然后由PLC控制系统控制气缸6的活塞杆伸出，送入至夹具体内。

图3 自动上料机构

2.4 夹紧机构

如图4所示，夹紧机构包括夹块、夹具体和气缸。上料机构将圆柱状物料推送进夹具体内前，PLC控制系统控制气缸3的活塞杆向外伸出至设定的固定位置，之后上料机构将圆柱状物料推进夹具体内与气缸3的活塞杆紧贴，同时PLC控制系统控制油缸1和油缸4的活塞杆作伸出运动，从而油缸1和油缸4的活塞杆带动夹块2移动后夹紧圆柱状物料。

图4 夹紧机构

2.5 自动下料机构

如图5所示，下料机构包括气缸、下料斜坡和落料口，钻孔加工工序完成后，PLC控制系统控制夹紧气缸的活塞杆作回退动作，当夹紧气缸的活塞杆回退动作完成之后，PLC控制系统控制上料机构的气缸6的活塞杆继续伸出，从而推送圆柱状物料至夹具体外的设定位置后回退，回退动作完成后，PLC控制系统控制下料机构气缸3的活塞杆向前伸出，从而将圆柱状物料推送至下料斜坡，由于自重和下料斜坡的斜面，圆柱状物料自动滚落至下料斜坡的下料口，下料斜坡的下料口处有方形孔被加工在底板上，最后实现圆柱状物料的自动落料动作，方形口下方设置有物料框进行接料。

图5 下料机构

3 定位误差及夹紧力、切削力的分析

3.1 定位误差分析

定位元件采用的定位方式为2个气缸进行的轴向定位和夹板进行的径向定位，从而限制圆柱状物料的6个自由度，定位基准面为圆柱状物料的端面，与圆柱状物料设计基准重合，因此不存在基准不重合，即定位误差为0。

3.2 夹紧力、切削力的计算

夹紧力主要由油缸的推力进行夹紧产生，故夹紧力为2个油缸的推力。夹紧力计算公式为

4 结语

生产实践证明，该工装夹具利用合理的结构及简便的操作，减轻了操作者的劳动强度，工件定位精度高，产品合格率达到99%，零安全事故，具有较显著的经济效益和社会效益。