基于双头多件数控铣削夹具的设计与应用*

陈荣贵

(厦门工学院 工程坊，福建 厦门 361021)

0 引言

零件加工大多采用数控加工，在自动化加工中，零件的定位以及装夹最为重要。在传统加工中需要大量的时间来校正工件，零件的装夹定位决定了零件加工能否高效顺利进行，以及是否会出现报废等现象，能否提高企业经济效益等。除了使用专用设备以外，大部分企业针对特殊零件的加工往往会进行专用夹具的设计，针对活齿体两侧圆弧槽的批量加工，我们采用平口钳来定位、装夹，实现一次性对多个规格活齿体的快速装夹然后再进行加工，大大减少了装夹次数，减少了设备等待时间，从而提高了活齿体的加工效率。

1 零件加工工艺分析

1.1 加工任务

加工一批活齿体零件两侧的圆弧槽，零件材料为45钢，如图1所示。

图1 活齿体零件图

1.2 加工要求

(1) 工件表面加工要求完整，局部不得有缺陷。

(2) 两侧圆弧槽的同轴度、位置度及粗糙度要求较高。

(3) 该谐波齿轮减速器活齿体有三种规格，直径、长度、导油槽的位置都不一样。

这批零件虽然只需加工两侧的圆弧槽，但是由于零件的同轴度要求高，小圆棒装夹困难，按常规的打表加工装夹定位困难、装夹不稳，加工时容易出现偏差，难以满足工艺要求，而且操作复杂，效率低。谐波齿轮减速器活齿体有三种规格，其直径、长度、导油槽的位置都不一样，因此，根据零件特点、公差及精度要求，设计能够进行双头多件铣削的通用夹具具有一定的实用价值。

2 普通装夹与加工存在的问题

2.1 零件的装夹与加工

传统加工首先用虎钳(固定钳口带V型块)将零件竖直定位，打表校正后进行夹紧，然后再用寻边器对工件进行分中，设定工件坐标系，最后进行零件的加工，如图2所示。

图2 零件传统装夹方式

2.2 存在的问题

(1) 装夹过程相对繁琐，需要打表校正费时、费力，且不牢固。

(2) 每次只能装夹加工一个零件且定位精度差。

(3) 对刀操作繁琐，每加工一件需要对一次刀，且每次必须重新设定坐标系。

(4) 当切削力稍大时，零件容易跑位、倾斜甚至飞出，出现的废品率高。

(5) 由于零件易滑动，导致刀具容易损坏。

(6) 零件调头装夹时，径向定位精度不高，导致零件两端的圆弧槽同轴度超差。

3 双头多件数控铣削夹具的设计方案与应用

3.1 双头多件铣削夹具设计思路及工作原理

传统加工往往一次定位装夹一个零件来完成该零件的全部加工工序，在加工时只能通过换刀来依次对各个加工表面进行加工，费时费力，而机械手在频繁换刀时会发生一些故障。故我们在面对活齿体的加工时，突破常规，在符合加工要求的前提下，设计一个工装，一次安装多个零件，一次换刀加工数个零件的同一工序，尽量减少换刀次数，节省辅助时间，提高加工效率。

3.2 针对活齿体零件双头多件铣削夹具设计方法

在活齿体生产加工中，应用夹具的六点定位原理，针对活齿体圆弧面的实际夹紧要求，即针对图1零件构思设计制作了一套用专用夹具体定位、螺丝锁紧的双头多件铣削夹具(见图3)，可以满足零件定位和夹紧的要求。

图3 双头多件铣削夹具体实物

该夹具体可一次装夹十几个零件，制作工艺手段简便、周期较短、成本低。为了保证零件两端圆弧槽的同轴度，取夹具体底盘直径为200 mm，厚度为40 mm，材料选用45钢。图4为活齿体双头多件铣削夹具装配图。

1-底座；2-夹具；3-活齿体；4-螺栓；5-定位销；6-M4螺钉

3.3 双头多件铣削夹具结构组成、加工及定位原理

3.3.1 结构组成

双头多件铣削夹具包括底座(见图5)、夹具(见图6)、2个Ф12×60定位销、4个M12×50螺栓以及M4螺钉若干。

图5 底座零件结构及三维图

图6 夹具体零件结构及三维图

3.3.2 底座加工

底座加工工序为：①先用车床加工Ф40×10、Ф200×30等圆台；②用立铣刀加工底座194 mm的平行装夹位；③翻转工件水平放置，校正夹紧工件，加工4个M12螺纹孔(钻Ф10.2孔，并攻牙)；④加工2个Ф12定位孔，先后进行钻孔、粗加工、半精加工并预留0.1 mm余量进行铰孔；⑤粗、精加工3个圆弧槽。

3.3.3 夹具加工

夹具加工工序为：①先用车床加工Ф190×80圆台及中心孔Ф40H7/js6；②用虎钳(固定钳口为V型块)夹紧圆台外径并校正；③钻、粗、半精加工2个Ф12定位孔，留0.1余量进行铰孔；④加工4个M12螺栓孔及沉孔；⑤加工6个Ф16、6个Ф16、6个Ф20通孔，先后进行钻孔、粗加工、半精加工并预留0.1 mm余量进行铰孔；⑥将夹具安装在分度盘上圆周加工36个M4螺纹孔。

3.3.4 定位原理

夹具底座固定在机床虎钳上，用平行垫块支撑(如图7所示)，要求底座超出虎钳钳口约10 mm，校正夹紧。通过Ф40H7/js6来限制夹具体XY平面的移动自由度，再用2个Ф12定位销限制旋转自由度，将夹具安装在底座上(如图8所示)，用4个M12螺栓进行锁紧，零件底面和底座圆弧面底面对齐，工件侧面与夹具体圆弧面对齐，然后通过螺钉锁紧将工件夹紧在夹具体圆弧面上。

图7 底座安装

图8 夹具体安装

3.4 双头多件铣削夹具的实际使用及受力情况

每个待加工的工件都是依靠夹具体圆弧面进行定位的，底座槽底是工件的支撑点，我们利用M4螺钉在圆周侧面进行夹紧，当螺钉至R1油槽时，将零件压紧在夹具体的圆弧面上。当装夹放置工件毛坯时，只需松开M4螺钉将工件沿着圆弧面竖直拔出即可，装夹便捷。有些工件直径超差，可以通过轴孔配合的松紧情况进行简单筛查去除，采用这种定位装夹方式可使夹紧着力点更加靠近切削力点，减少零件的伸出长度，提高工件的刚性，大大减小了工件在加工过程中因受到铣削力的影响而产生的变形。上述所设计的夹具、夹具体的定位和夹紧方式完全可以满足加工需求，从而使装夹工作变得轻松、便捷、高效、可靠。

(1) 工件加工坐标系设置。首先将底座装夹在液压虎钳上面(如图7所示)，夹具体中心位置为工件坐标系原点，即(X0、Y0)，工件上表面为Z轴零点，即Z0，编程时以该坐标系来编写相应的加工程序。

(2) 工件的加工。由于加工材料为45钢，根据圆弧槽的宽度尺寸，选用Ф4 mm钨钢立铣刀进行螺旋下刀粗加工，然后再进行精加工，这样可以避免频繁换刀。

(3) 加工完成后，将4个M12螺栓松开，取下夹具并沿X轴方向翻转180°，重新定位锁紧，重新确定Z轴的位置，加工另外一侧的圆弧槽。批量加工阶段应不时检查刀刃的磨损情况，必要时及时更换刀具。

(4) 工件拆卸。工件加工完成后，用扳手将M4螺钉松开，沿竖直方向取出工件，更换另外一批工件继续加工。

4 结论

实践证明，本次设计的双头多件数控铣削夹具制作工艺相对简单，定位精度比较高，安装次数少，一次装夹可安装多个零件，工装配套零件费用较低，加工制作方便。一批零件装夹加工只需要调校一次，极大地提高了装夹速度，减少了机床等待时间，在提高了效率的同时使得零件的加工精度也得到了保证，成品率高，对类似活齿体双头零件的加工具有很好的参考价值。