数控铣削法兰叉气动夹具的应用研究

徐姝 陈毅强 孙贤宇 郭静

摘  要：用气动自动控制技术实现生产过程自动化，是工业自动化的一种重要技术手段，是一种低成本自动化技术。对其机械加工技术和电气技术的融合使用，有力的提高工作效率，保证产品质量。气动夹具在法兰叉铣削加工过程中可以迅速紧固工件，使机床、刀具、工件处于正确的位置，可保证各个加工环节的准确性，避免人为因素的装夹变形和误差，降低了工作量，提升加工效率。

关键词：法兰叉;铣刀;气动夹具;数控铣床

前言：

在法兰叉铣削加工过程中，经常会遇到一些刀具使用过程中的磨损和振动问题，零件装夹出现夹紧力不够、表面粗糙度难以保证以及加工方法的正确与否等技术问题。若是处理的不好，将会影响法兰叉铣削加工的质量。因此，在法兰叉铣削加工过程中，加强对其特殊结构的调整，将气动夹具作为重点应用的一项工具，通过良好的定位、加紧力，保证法兰叉铣削加工的稳定性和加工质量，提升加工效率，从而为行业发展提供重要的支持。

1.刀具磨损和振动的原因分析

1.1我国机械加工刀具的简介

科技创新赶超强国 “提高效率，降低成本”是全世界制造业竞争的核心，发达国家长期保持经济强势主要依靠科技创新。他们投入巨资在刀具新材料、新涂层、新技术、新工艺以及工具专用数字化制造技术等方面进行了大量的研发，开发出一代又一代的高效刀具，牢牢占据了国际刀具的高端市场。我国开发的叶根槽铣刀、硬质合金涂层多刀刃铣刀、圣诞树铣刀、八角形铣刀、硬质合金模块式刀、波刃型立铣刀、非标槽刀，以及适应高速切削刀具用的HSK刀柄、双头端面刀柄等都颇具“杀伤力”。

1.2法兰叉铣削时影响加工的因素

所谓的铣削就是采用旋转的硬质合金涂层多刃刀具对待加工的法兰叉头端面进行定向加工，是一种较为常见和高效的机械部件加工方法。在加工过程中可以是铣刀移动工件静止或是铣刀静止工件移动，以后种情况为例，铣刀在做圆周运动（主运动）在法兰叉头端面上产生齿形的同时，法兰叉装夹在气动夹具上做纵向匀速移动（给进运动），使得法兰叉齿形的间距保持一致，由于刀具在铣削时接触面大，刀具磨损快，易产生振动，从而难以保证铣削质量，防止出现齿条表面粗糙度和齿形分布不均的问题。

1.3运用数控铣床和硬质合金涂层刀具是保证质量的途径之一

铣削用的机床有数控卧式铣床和数控立式铣床两种，随着数控技术的高速发展与应用，极大的提升了法兰叉齿形铣削的精度和效率，提升了企业的运行效率，并创造了巨大的经济效益。进而提升法兰叉头端面齿形铣削精度。同时硬质合金涂层多刃刀具的通用性较好，一把刀具可加工与刀具相同齿条和齿形的任意直径的外齿条及比刀体直径大的齿形。减少加工中硬质合金涂层多刃刀具的损耗。硬质合金涂层多刃刀具，有六个刀刃，在铣削加工时主要是解决 6 个刀刃铣刀的旋转、沿齿向方向以及齿深方向（相对齿向方向有一倾斜角度）的進给。

2.气动夹具的应用提高了夹紧力保证了表面粗糙度

2.1气动自动控制技术是实现生产过程自动化重要手段

气动自动控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动控制系统的主要有气动元件，机械部分、液压系统、电气元件、电子（包含PLC控制器和微电脑）等部分或全部综合构成的控制回路，使气动元件按生产工艺要求的工作状况，自动按设定的顺序或条件动作的一种自动化技术。用气动自动控制技术实现生产过程自动化，是工业自动化的一种重要技术手段，也是一种低成本自动化技术。

2.2活塞式气缸原理

活塞式气缸的工作原理是在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力Pa，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程当缸内压力高于输出空气管道内压力P后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。曲柄的旋转运动转换为滑动——活塞的往复运动。当压缩比增大时，输出压力提高，增加压缩气体排气量。有效推动法兰叉夹具使其旋转一定角度，已达到锁紧和定位的作用。

2.3气动夹具技术的三个优势

气动夹具技术的应用极大的改善了在数控铣削加工工艺中存在的主要技术问题，改善了施工工艺，并使得铣削质量得到了明显提升。气动夹具技术主要有以下几个方面的优势：首先，法兰叉头端面铣削中，硬质合金涂层多刀刃周期性的参与到工件的间断切削当中，大大降低了铣刀的磨损程度，提高了铣刀的使用寿命，同时铣刀的周期性切削有利于提高法兰叉的加工精度和齿条底部的平整度，有助于延长工件的机械性能;其次，每个刀刃在切削过程中的切削厚度是连续变化的，避免了一次性切削所带来的误差问题，通过连续不断地铣削可以帮助技术人员随时掌控铣削质量;最后，每个刀刃的给进量是一个定值，即铣刀每转过一个刀齿的时间内工件的位移量是固定的，从而保证了相邻刀刃之间的距离误差保持在一个很小的范围内，从而使得铣削质量大大增加。

2.4万向轴法兰叉头法兰端面齿形规格

国家标准对万向轴法兰叉头端面齿形结构做了规定（见表1），由表1可知：不同规格的法兰直径，其端面齿数均为 6 的倍数，即可在互成 60°角的方向上同时进行6个刀刃加工。

3.法兰叉气动夹具技术分析

3.1技术分析

在法兰叉铣削加工过程中，气动夹具具有重要作用。在气动夹具加工过程中，主要是迅速紧固工件，使数控铣床、刀具、工件保持正确相对位置的工艺装置，是机械加工不可缺少的部件。同时，数控铣床加工法兰叉头法兰端面齿时，为了保证所加工的齿形能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度和表面粗糙度等，加工前使用气动夹具，必须要对机械部分、压夜部分、电子元件等结构进行一定的了解和掌握，以保证整个加工过程处于安全、稳定的状态。

3.2优势分析

法兰叉铣削加工过程中，气动夹具不仅结构简单，而且安装和调整便捷，在机床加工中得到了有效应用。

（1）气动夹具的结构相对简单，可以实现准确快速定位。同时，在加工过程中，可以有效实现恒压夹紧，避免人为因素的装夹变形和误差，从而有效保证法兰叉铣削加工的质量。

（2）在法兰叉铣削加工过程中，气动夹具主要是利用气动气缸装夹的形式，结构简单，重量轻便。同时，后期安装和维护都提供了相对便利的条件。加工中主要利用空气作为主要介质，排气处理简单，不仅不会影响周围环境，而且不会影响工件质量，成本也相对较低，且气动元件可靠性高、使用寿命长、输出力和工作速度调节容易，大大提升了工作效率。

（3）在法兰叉铣削加工过程中，气动夹具的滚轮滑块可以防止气缸连接杆旋转，从而确保定位精度，保证加工的质量。

（4）加工中主要利用卡盘原理，有效提升稳定性能，使定位装置可靠準确，从而确保法兰叉的重复定位精度，以避免加工中产生不必要的误差。

3.3法兰叉铣削加工气动夹具的应用

在法兰叉铣削加工过程中，一定要对气动夹具的应用形式有着清晰了解。要求每次装夹时的位置度、压紧力通过操作人员的熟练度来控制，以此保证加工生产的质量和效率。

3.3.1定位元件中的应用

定位元件是法兰叉铣削加工中非常重要的一个部分，主要由1个滑动杆和左右两固定座、左右两个限位键槽和键组成。同时，气动夹具在法兰叉铣削加工过程中共存在两个优势，从而在一定程度上实现法兰叉在旋转角度时没有偏差。另外，加工过程中会存在一定程度上的限制，原因是铣刀是多刀刃切削，在遇到法兰叉切削时，以保证定位的准确性，从而为后续精加工的展开提供保证。但是，加工过程中，应当将夹具座组合件和气缸支架组合件进行全面组合，形成一个夹具底板。这其中主要包括固定座、定位薄型气缸、夹具底板、内六角圆柱头螺钉、六角薄螺母、气缸、圆型底座、移动定位销、圆柱螺旋压缩弹簧、轴用弹性挡圈、内螺纹圆柱销、固定定位菱形销等，以保证加工的准确性，避免法兰叉质量发生问题，提升加工效率。

3.3.2夹紧装置的应用

气动夹具在法兰叉铣削加工过程中有一定的工作流程：清扫基准面垫板、固定定位键槽、将法兰叉放入夹具等。具体的应用方式可以分为以下几个方面。

（1）在法兰叉铣削加工过程中，法兰叉底面应当紧紧贴合在基准面上，并且沿基准面将法兰叉定位孔推入固定定位菱型销，以对薄型气缸进行准确定位。同时，应当移动定位孔，与薄型气缸、进气经压板杠杆、推动法兰叉压块等处于夹紧状态，从而在一定程度上保证加工的质量。

（2）加工过程中，应当将定位气缸气体进行一定转换，并将移动定位键槽与键紧密配合。同时，要使刀具进入工件进行铣削加工，保证法兰叉铣削加工的准确性。

（3）加工结束后，应当将其工件松开取出夹具体，最终完成该工件铣销加工的整个过程。同时，要对工件质量进行全面检查，避免工件出现质量问题。

（4）硬质合金涂层多刃刀具沿齿深方向的进给，采用油压缸CLKA-50G高动力札实型杠杆液压油缸的活塞杆推动斜形滑块沿法兰叉边缘压紧，根据不同规格法兰叉头法兰端面齿的全齿高，调整硬质合金涂层多刃铣刀的吃刀量，以完成粗加工和精加工两次成型的铣削加工。

3.4 法兰叉头法兰端面齿形的加工方法（见图 3） 。

（1）启动液压泵，电磁铁1ZT失电，调整溢流阀使系统达到一定的压力 ;

（2）切换换向阀，电磁铁使各液压马达、各液压油缸换向，适当调整节流阀并使各液压马达转速、各液压油缸运行速度基本一致，然后使各液压油缸、各液压马达都回到起始位置 ;

（3）数控铣床按照编制好的程序调整刀具的高度、X轴、Y轴的位置，运行法兰叉夹具中部的定位凸止口与法兰叉头法兰端面中部的定位凹止口配合并使硬质合金涂层多刃铣刀按程序进入安全位置 ;

（4）换向阀调整夹具体，电磁铁通电，油压缸的活塞杆推动斜形滑块沿法兰叉边缘压紧，法兰叉头的初始加工定位并锁紧，启动数控铣床机油润滑及冷却系统，粗加工切削加工开始;

（5）当硬质合金涂层多刃铣刀沿齿向行程终了后，X轴、Y轴快速移动到安全位置，换向阀、电磁铁工作，铣刀完成齿全高切削后返回到初始位置;

（6）气动装置松开回转盘，将其旋转 360 /Z （齿数）角度后并锁紧，换向阀、电磁铁通电，精加工铣齿切削加工开始，直至加工完毕。

4.结束语

通过以上的综合论述，得出以下几个结论：

（1）硬质合金涂层多刃铣刀具有良好的通用性，周期性的参与到法兰叉头法兰端面齿形的间断切削当中，大大降低了铣刀的磨损程度，提高了铣刀的使用寿命。随着机械加工工艺技术的改进和发展，硬质合金涂层铣刀在机械加工中的应用范围越来越广泛，并在很大程度上解决了传统的铣削工艺的弊端，极大的提升了机械加工的精度、效率和质量，为企业创造了巨大的经济效益的同时也提升了机械设备的整体性能和使用寿命，成为当前机械加工领域中的重要因数之一。

（2）用气动自动控制技术实现生产过程自动化，是工业自动化的一种重要技术手段，是一种低成本自动化技术。用以对其机械加工技术和电气技术的融合使用，有力的提高工作效率，保证产品质量。气动夹具在法兰叉铣削加工过程中可以迅速紧固工件，使机床、刀具、工件处于正确的位置，且其结构相对简单，降低了加工成本，可保证定位、夹紧等加工环节的准确性、稳定性，减少了振动，提高了表面粗糙度。

（3）气动夹具在法兰叉铣削加工过程中共存在两个优势，从而在一定程度上实现法兰叉在旋转角度时没有偏差。另外，加工过程中会存在一定程度上的限制，原因铣刀是多刀刃切削，在和法兰叉头法兰端面切削时，以保证定位的准确性，从而为后续精加工时提供保证。

（4）从定位元件、夹紧装置、机械部件等方面及万向轴法兰叉头法兰端面齿的加工方法，具有结构简单、制造容易、操作方便、加工快捷等特点。这对不具备端面齿专用加工设备的企业来说，具有较大的实用和推广价值。

科学合理地运用机电一体化理论知识和实践经验，不断总结并归纳，向生产个性化战略转移。

参考文献：

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[4]陈毅强，汪光远项目教学法在数铣工程训练中的的创新研究与实践.金工研究，2012（2）.

[5]陈毅强、王浩宇 新形势下工科院校基础工程训练的整合与构思  第十二届国际现代工业培训学术会议论文集 （现代工程教育与创新人才培养）2018.10.19-22

作者简介：

徐姝，1975年11月，女，汉族，江苏镇江，大专学历，技师，研究方向：木工机械加工。