液压夹具的稳定性控制

舒晓君， 徐红彦， 刘新文

（中航飞机股份有限公司长沙起落架分公司，陕西汉中 723200）

0 引言

我公司的产品大多是非回转体结构件，在零件加工过程中，通常采用多点支承与多点夹持技术，多点支承与多点夹持系统大多采用等高垫块与螺栓、压板配合使用，由工人手动调整操作安装、定位和夹紧。多点支撑、多点夹持时，由于支撑元件的制造误差、零件加工误差及机床设备精度误差，在零件装夹操作过程中，很难准确地保证支承点中心与压紧点中心在同一条线上；不同操作工存在转矩差异，很难保证压紧过程中对零件施加合适的压紧力，势必会造成零件装夹受压变形或装夹不稳定，严重影响零件的加工质量且生产效率低[1]。液压夹具中的液压支撑缸具有浮动功能，以微小的弹簧力接触工件并可停止在任意位置，通过锥套下压产生一个非常大的力抱紧活塞杆，从而完成辅助支撑定位，使得作用于工件的夹持力均匀分布，增加工件加工的稳定性和刚度，消除零件的装夹加工变形，有效地防止了切削力的振动对加工质量的影响。液压夹紧力在装夹过程中，压紧力不变，确保同一工位下的加工尺寸一致，尺寸稳定性高，可实现产品装夹稳定性控制，保证产品的加工质量[2]。而我公司液压夹具的应用还未普及，本文从液压夹具的工作原理、夹具设计、负载分析、液压缸、切削系统稳定性实验等方面来论述液压夹具装夹的稳定性控制，介绍该工装的设计过程。

1 液压夹具工作原理

液压夹具是在PLC的准确控制下驱动相应的电磁换向阀，使液压缸推出或收回来夹紧或松开工件，还能通过自动控制压板的压紧、抬起、旋转让开刀具，防止刀具碰撞。用液压元件来取代传统的机械零件夹具，由一些标准系列的液压夹具元件及专用的夹具体组合而成，实现对工件的自动定位、支承与夹紧。常见标准系列的液压夹具元件有液压夹紧油缸、浮动支撑油缸、蓄能器总成模块、快速接头、小型液压站等[3]。液压夹具既能在粗加工时承受较大的切削力，也能在精加工时保证足够的定位精度，具有夹紧力大、夹紧可靠、工作平稳、使用方便等优点。

2 液压夹具设计稳定性

夹具的主定位方案设计必须符合六点定位原理。在零件结构分析的基础上，通常选用零件的特征部位定位或压紧，如选择规则的孔、平面等；当零件为不规则的型面时，可通过制作工艺基准、仿形装夹元件等途径，实现工件的稳定装夹。压紧点一般选在工件刚度最高的地方，尽量靠近加工面，以减少加工过程中切削力产生的加工振动和应力变形，保证零件装夹可靠，能够限制零件加工过程中的轴向移动及旋转自由度。

3 液压夹具负载分析

液压夹具的工作负载即为零件所受的切削力和零件自重（有辅助支撑时），切削力值将作为各液压夹具中液压缸选型的主要依据，为使液压系统能够平衡最大切削力，需对零件加工过程中所使用的刀具规格、切削用量及切削力方向进行分析，分析切向力（主切削力）、径向力、轴向力，对于以孔作为主定位的产品，通常以最大切向力作为主定位夹紧直推缸选型的依据，以轴向切削力及零件自重作为支撑缸及压紧缸选型的依据；对于以面作为主定位的产品，需对最大轴向切削力及零件自重进行计算并作为主定位支撑缸及压紧缸选型的依据。

3.1 基于公式的切削力计算

通过上述理论计算，主切削力值为1955 N，为此可选取大于1955 N作为确定主定位夹紧油缸选型的依据，可满足产品加工过程中稳定性要求。

3.2 基于有限元分析软件对切削力3D仿真计算

由于切削过程涉及复杂的力学、物理和化学等现象，刀具和工件切削过程难以实时观测分析，而通常理论计算选用的参数往往是经验值，可能与实际切削过程中的真实值存在一定误差，因此在零件受力分析的基础上，可以借助有限元分析软件（如ANSYS、AdvantEdge、FEM等软件）进行切削力数值仿真，可以通过对切削力曲线的测量快速确定每把刀具加工时的切向力、径向力及轴向力的极值，在各把刀具的切削力极值中，选择最大值作为液压缸选型的依据。切削力3D仿真需具备的主要参数包括刀具规格、刀具径向前角、轴向前角、主偏角、切削深度、最大切宽、进给量、主轴转速、每齿进给量等。

4 液压缸的稳定性

以上提供了基于公式的切削力计算、基于有限元分析软件对切削力3D仿真计算，通过这2种方式进行液压夹具负载分析，将计算分析得出的负载作为液压夹具中液压缸选型的主要依据，确保液压缸工作中的稳定性。

4.1 确定液压缸主要尺寸

4.2 液压压紧缸

由于工件结构的特性差异，某个夹紧角度、夹紧位置上存在夹具元件与加工刀具相互干涉的问题，为了有效地避开液压夹具与加工刀具的干涉，在压紧上可采用实现不同动作的转角压紧缸，来完成特殊部位的压紧动作。常用压紧缸有0°和90°两种型号的转角压紧缸，其中0°转角压紧缸可完成夹具元件压板上、下方向压紧零件的动作，实现工件非加工面、侧边的压紧；90°转角压紧缸可完成夹具元件压板上、下方向移动并转动角度方向后压紧工件的动作，实现非加工面、侧边的压紧。转角压紧缸主要通过压紧力与零件产生的静摩擦力来克服零件切削过程中产生的径向切削力，从而达到工件的稳定装夹加工。

4.3 液压支撑缸选取

液压支撑缸能有效防止在加工工件时产生的振动及夹紧时产生的变形。选用油压上升型浮动型支撑缸，缸的工作原理（如图1）为：当油压为“关”，柱塞为初始状态；当油压为“开”，供给油压使柱塞活塞上升；在油压的作用下使柱塞活塞向上运动，并通过柱塞弹簧推动接触螺栓上升，使接触螺栓支撑面接触零件后，柱塞活塞上升运动停止；在油压作用下，侧面活塞开始下压动作，侧面活塞和筒夹的锥面构造通过钢球对柱塞产生强劲的握紧力，使柱塞处于抱死状态，一旦接触零件后不再给零件施加作用力，所以在抱紧过程中不会产生变形，与工件之间无间隙生成。

图1 浮动支撑缸原理图

浮动液压支撑缸具有多点自适应性。在液压缸工作时，柱塞运动过程中一旦接触工件表面，就立即停止运动，不再给工件施加作用力。它可弥补相同工件由于加工误差、机床定位误差等造成的工件不规则外形、加工工件尺寸差异、工件接触面形状差异等，也可将支撑缸的支撑头部做成仿形的，形状按需要支撑的工件外形定制或万向转动支撑头等，完成工件的稳定支撑，有效地控制工件在加工过程中出现的振动、装夹变形等不利因素，确保工件装夹稳定。

5 切削系统稳定性实验

在不考虑零件变形的影响下，液压缸的压紧力理论上是越大越好。但由于存在变形，往往松开后会造成零件回弹，导致尺寸超差，因此需要综合考虑，既要保证零件压紧（抵抗最大切削力），又要兼顾零件的变形情况，因此可通过实验测出不同压力下零件的变形量和加工过程中跳动量，根据不同状态下的变形量和跳动量，建立数学关系，进行理论分析。

5.1 非加工静态实验

经工艺验证发现，当产品处于非加工静态时，通过百分表测出液压缸在主切削力方向上对工件施加不同压力下得到的工件变形量（由夹紧力引起），用最小二乘法求得液压缸压力与工件变形量的关系（一般接近线性关系）：

式中：y为液压缸压力；x为工件变形量；a、b为系数。

在产品处于非加工静态时，同时启动支撑缸向上动作，当支撑缸一接触零件表面，支撑缸的活塞被抱死，支撑缸就停止向上的支撑力，处于自然状态下支撑零件。这时再启动压紧缸并压紧零件，通过百分表检测到零件上表面跳动为0。

工艺试验说明，当产品处于非加工静态时，启动液压支撑缸和液压压紧缸对工件的装夹变形无影响，仅在主切削力方向上液压缸的压力与工件变形量有关，用最小二乘法可求得液压缸压力与工件变形量的线性函数。

5.2 加工状态实验

产品处于加工状态时，通过百分表测出在主切削力方向液压缸不同压力下的工件跳动量值（由切削力引起），用最小二乘法求得压力和跳动量的关系，此关系一般为非线性关系。

对于非线性关系，可以采用曲线拟合（用解析表达式逼近离散数据）的方法，一般常用的函数有以下3种函数。

1）指数函数。指数函数标准形式两边取对数得

由上式可以看出，当ln Y和X呈直线趋势时可以选用指数函数来描述跳动量Y与压力X之间的非线性关系。

2）对数函数。利用换底公式得

当Y和ln X呈直线趋势时，可以选用对数函数来描述跳动量Y与压力X之间的非线性关系。

3）幂函数。幂函数的标准形式两边取自然对数，得

当ln Y和ln X呈直线趋势时，可以选用幂数函数来描述跳动量Y与压力X之间的非线性关系。

5.3 稳定性压力确定

为了解析非加工静态与加工状态下所需液压系统最优工作压力，使液压夹具系统既能抵抗最大切削力，又能保持最小压紧变形量，运用数学方法将非加工时的变形量和加工时的跳动量来联立方程组（如图2），求得曲线交点，即可得到在相同变形量和跳动量时的压力值，即为液压系统稳定的工作压力。

图2 压力和变形量、跳动量曲线拟合

6 结语

本文从液压夹具的工作原理、液压夹具及元件的设计、加工过程工件负载分析、液压缸选用等方面论述了液压夹具设计，以确保液压夹具的稳定性；同时还通过工件装夹静态和加工动态下切削系统稳定性的实验，实测压力与变形量数值，运用最小二乘法求得2种状态下的函数方程，联立2组函数方程求交，得出能使加工工艺系统中零件变形最小、加工最稳定的压力值。本文从这些方面对液压夹具的稳定性进行了全方位分析研究，为今后的液压夹具设计、液压装夹技术应用提供参考。