桥壳中段卧式双面数控镗床专机夹具设计

牟永凯

“工欲善其事，必先利其器”，随着工业的不断发展，产品需求转变成多样性，夹具成为产品加工过程中的利器。如何优化夹具设计，保证对产品加工进行有效的控制，提升产品加工效率，成为工艺工程师亟待解决的问题。本文作者选取公司加工的典型产品，介绍了产品在珩磨加工过程中装夹方法，通过对夹具优化、相似性夹具应用，有效减少了产品加工过程中夹具的数量，并通过合理夹具设计提升了产品加工效率和加工精度，使产品的工艺性、经济性得到了显著提高。

1 夹具智能设计原理

关于夹具智能化的设计原理其实很简单的，大概的流程就是需要有各种数据参数的输入、设计决策、智能化夹具数据的校准和夹具的各种数据输出。数据输入最重要的就是各种需要加工的零部件的数据和加工的方法；设计的决策主要包括各种工件的定位、装载夹具的方法和各种布局的规划。在整个进行试验的中，就要对定位的准确的和夹具的夹紧力进行记录，再进行数据的分析，看是否能够满足设计的要求，最后再针对有问题的地方进行调整，直至满足设计要求。

2 机床夹具库开发

模块化设计。

2.1 模块的划分

设计分为整体设计和模块化的设计，其中模块化设计的主要内容就是依照从上到下的顺序对整个的夹具库进行一个划分，通过这样的方法一方面能够体现出这些模块之间的关系，另外一方面也能表现出各个模块的不同，采用这种方式可以根据自己的需求进行精准的选择。

2.2 模块的创建

关于模块的创建过程没有一个明确的规定，只是利用各个不同模块的功能进行类型的划分，尤其是每一种不同的模块它的创建过程都是不一样的，包括主要的内容和供给方面。这种模块创建的主要目的就是进行设计不同的功能，用于不用的设备。以下就是几种创建的规则：

（1）典型夹具案例模块。对于这种案例就可以通过数据库找到，这种案例表示国内和国外都有使用过这种夹具，尤其对于构造方面就比较复杂，其中就有车床夹具和铣床夹具，再利用层次进行划分，这样做的目的就是建立更多的参数数据库，供以后参考。

（2）标准件模块。和典型模块相比，标准件模块的内容更加丰富，其中就有各个元素的结构、规模和绘画等，这种分类大多都是根据夹具和每个组件的功能不同，也都是按照统一的标准。每一步的划分都是在不断的细化，到最后大概就是类别、系、组和标准件这样的排序。利用这种方法我们就可以很清楚，通过设计就要将模块分类，这样可以方便用户和设计师们。关于标准件模块需要创建一个比较完整的图形库，在这个创建的过程中主要用到的就是参数化的设计技术。通过参数设计来实现图形的控制，从而实现精准化的设计，在一定程度上提高夹具的设计效率。

（3）非标准件模块。由于各种因素的不同影响不同，所以夹具的类型也就有了标准件和非标准件，就好比夹具的支架和钻孔模板就需要在设计时候收集各种参数数据，然后再将这些数据进行汇总，用图片和文字的形式建立夹具非标准数据库。利用数据库中的数据进行机床的设计，根据自己的需求来确定具体的参数，然后再根据用户的需求进行修改，最后完成一个能够满足要求的设计。

（4）分析计算模块。关于机床夹具的设计主要包括定位和装夹两部分，在机械加工的过程中程序比较多，复杂性也高，在这个过程中就会有很多的因素的干扰，为了不让这些因素影响到加工产品的质量，就要想办法在一定程度上降低这些因素的影响程度，并且也要分析这些因素造成的误差范围，一般都是会由于加工发热引起变形产生误差的。机床里比较容易出现夹具定位的误差，会因为惯性发生改变和移动，这样也会使工件的参考面和定位元件的接触面之间摩擦出现变形，在一定程度上会发生位移，最后导致误差的发生。关于定位和夹紧部件在一定情况下，要主要关注安装的地方，使用适当的方法进行操作，只要误差在这个范围内，就可以满足设计的要求。往往使用的就是科学的加工方法，但是也要保证在加工设计的过程中产生的一些误差要在规定误差的范围内，不能超出这个范围，否则就是不满足要求，也会判定加工设计的产品不合格。不仅如此，也要在这个过程中进行各项数据的记录，通过数据的计算分析，检查设计是否满足要求，所以关于误差和数据的计算非常重要，直接关系到这种类型机床的使用，通过这种方法进行分析，来确保该设计是否满足要求。

3 桥壳中段两端加工工艺分析

3.1 桥壳中段的结构特点

关于桥壳中间部分的特点就要根据其具体的组成成分和部件来确定，它是用各种厚度不等钢板进行特殊处理，再经过焊接的方式焊接在一起，变成了一种薄壁异形件。如果对卧式双面数控镗床的两边进行同时进行工作，那负荷作用就会很大。所以在进行夹具设计的过程中，一定要考虑好合理的定位夹紧方法，还要对夹紧刚度和变形更加关注，最主要的就是要在一定程度上实现加工不同类别就会进行自动的转换，这是非常重要的。

3.2 被加工零件情况

在进行加工产品之前，一定要先了解清楚该产品的性能和属性，能不能用这种方法加工，或者这种方法加工会产生什么样的误差，这些都是在加工之前进行。对于后桥壳中断这个加工，它的一个最基本的就是琵琶孔及面已粗加工，两端尖头的加工余量要小于等于3mm，不能超过这个范围。关于定位的标准就是桥壳的两端、琵琶孔和琵琶面。工件的主要材料就是Q460C、16Mn、16MnL。加工的内容方面主要是平端面、倒坡口、镗内孔和车外圆这四个方面。加工的速度就是每一件大于3min。采用的加工方法就是利用每端两把车刀，数控系统控制径向和轴向走刀。采用的加工设备就是桥壳中段卧式双面数控镗床专机。

3.3 夹具装夹工艺分析

（1）机床对夹具工艺要求。由于加工机床的特殊性，所以就对夹具有了更高的要求，尤其在工艺方面要求更是严格。加上桥壳的特殊性，两端呈现为毛坯，直径的尺寸各不相同，大致的直径范围一般是150mm ～170mm 之间。如果在保证每次装夹位置不发生改变，就会采用液压自定心夹具。所以桥壳中琵琶孔的直径是可以调节的尺寸，不同类别的直径尺寸就不一样，大概的范围就是391mm ～456mm 之间。如果想要在一定程度上要满足两爪内胀的距离比较大，就应该采用行程比较大的机构，桥壳的琵琶面和夹紧中心的大约距离范围是90mm ～98.5mm 之间。在一定程度上为了使琴的表面处于一个比较稳定的状态，这时候就需要利用具有弹性的浮动调平机构。桥壳的型号不同它的总长度的大概范围就是1200mm ～1500mm 之间，这样就能保证一个自动调节的过程。

（2）定位基准。一般情况下定心是由桥壳两端的液压来确定的，而中心高就是依靠夹具来确定，中间的部分就是根据夹具确定轴向和角向。

（3）夹紧方式。通常情况下采用的夹紧方式就是利用桥壳两端的液压进行自动夹紧。

（4）加工方式。加工的方式采用的是干式粗略加工的方法来进行。

（5）工件切换。要对不同类型的产品加工，其对应的各种加工程序和夹具的位置都是不一样的，这时候就要选用更多的产品类别，进行不同的切换加工。

（6）夹具在一定程度上已经实现了自动化，可以进行自动的调节，这个过程不需要人工的操作，这样既节省时间又可以提高效率。

（7）在进行加工的时候，一定要特别注意整个夹具的坚硬程度，避免各种产生振动，在一定程度上保证加工的精确度。

（8）在设计的同时，也要考虑各种操作是否便利。

（9）也要考虑后期的维修情况。

4 工装夹具设计

4.1 工装夹具整体方案

本夹具是根据工艺要求设计的，使桥壳两端同时加工。这个夹具是专门用于卧式双面镗数控专用机床的，它的主要组成部分就是2 个自定心夹具和双夹紧的桥壳定位。直径在规定范围内变化，无需更换v 型块定位垫；该夹具用于将指定直径的琵琶孔与指定直径高中心的琵琶面分开；采用两端数控电动油缸调整滑块左数控电动缸调整滑台、右数控电动缸调整滑台，调整自定心夹具的正确定位和装夹位置，使桥壳总长度在规定范围内。其工作原理为：使用摊铺机将琵琶置于桥壳中间并面朝下的弹性平面上，并随桥壳落在一起的两端合起自扶正器预先设定的V形，在伸缩的爪孔中配点，由液压马达驱动自定心夹具自动夹紧桥壳两端圆柱，实现对桥壳的定位夹紧。

4.2 液压自定心夹具设计

液压自定心夹具的运行方式就是根据液压缸内的活塞杆的驱动，再加上各个齿轮之间的摩擦带动，从而实现v 形块左右的联动，最后直接到桥壳的外圆。其主要的作用就是气缸活塞带动上齿条将右v 形块移到中心，上齿条通过齿轮换向带动下齿条向相反方向移动。安装在下齿条机架上的左侧v 型块与右v 型块同步向中心移动，实现工件桥壳外圆的自动定心。自定心夹具有一组左右两侧，分别夹紧桥架壳体两端的外圆，以确定工件的中心高度。由于是v 型自定心结构，可适应外圈直径150mm ～170mm，无需更换任何部件。

4.3 内胀分中扶平夹具

内膨胀在平夹具上的工作原理：液压马达为动力，通过齿轮驱动螺杆旋转，螺杆驱动螺母驱动内膨胀爪反向运动，实现鲁特孔内的定位；在弹簧力的作用下，一个平面沿导杆垂直上下运动，始终接触琵琶面，实现富平琵琶面的角定位。具体行动：通过齿轮液压马达推动积极的和消极的螺钉旋转，积极和消极的左丝杠螺母和右丝杠螺母扩张驱动左、右爪幻灯片走向对方，左右胀爪安装在扩张幻灯片朝着对方的同时，实现琵琶洞。伸缩爪的结构行程大，可满足不同琵琶孔直径的需要。支撑板在弹簧的作用下，沿导向杆垂直移动支撑桥壳的琵琶面，实现工件的角度定位。

4.4 数控电动缸调整装置

数控电动油缸调整装置它的工作原理就是通过伺服电机通过滚柱丝杠将旋转运动更改为电动气缸推杆的直线运动，从而实现滑板的数控的自动调节。左调节滑块由左伺服电动缸驱动，右调节滑块由右伺服电动缸驱动。调整左右滑板安装在同一个导轨体上，共用一个燕尾导轨，以保证调整后的位置精度。

5 夹具的设计发展方向及思路推广应用

5.1 夹具的设计发展方向

柔性制造技术作为现代化制造技术，对工装夹具设计也提出了柔性化要求。为体现柔性化特点，设计的工装夹具需要采取组合、调整等方式适应工艺可变因素，如工序特性、工件尺寸等，能够满足多品种、小批量产品加工需求。目前，常见的柔性化夹具包含通用可调夹具、模块化夹具等，带有专业性特点的同时，能够通过拆卸结构调整夹具。可以通过调整夹爪手指圆周分布扩大适用范围，用于抓取球状、圆柱体等各种形状的工件。在柔性化发展背景下，自动化夹具应用范围日渐广泛。该类夹具是基于组合夹具系统所设计的，能够通过几何验算确定夹具构形中力的锁合情况，实现夹紧点和顺序优化。根据工装夹具产生的接触变形和切割力引发的工件弯曲变形，能够重新进行支撑和夹紧位置排布，做到牢固、精确夹紧工件。通过搭建产品模型知识库，能够生成自动夹具的各主要模块，获得夹具最终构形。根据自动化程度，组合夹具设计系统可以划分成半自动化和交互式两类，辅助设计者合理选择适合夹具元件的模块。根据工件形状、加工要求等进行夹具元件选择，可以依靠系统智能算法进行分析，有效提高夹具设计效率和质量。而在交互式系统中，完成夹具元件选择后可以利用加工干涉检测子模块，确认切割工具和夹具等是否会发生干涉。将夹具部件模型简化成二维轮廓模型，实现信息高度集成，能够有效完成夹具设计合理性验证 。

5.2 设计思路推广应用

将此夹具设计思路广泛推广应用公司多项产品的珩磨及其他工序夹具设计中，以公司产品3972-4 的两道珩磨工序为例，3972-4 也是筒体类产品，45 工序是粗珩磨，110 工序是精珩磨。与上例不同的是此产品较长，达到了706mm，所以在45 工序珩磨时现有的珩磨夹具都不能借用（若借用现有夹具，就无法使用机床附带的气动压板），需要重新设计。100 工序和45 工序产品结构外形从外圆加工为异形，按照新的设计思路，尽量使用已有的夹具，通过产品结构变化的比较，重新设计了一个过渡衬套，在110 工序时配合45 工序夹具一起使用。通过此思路来优化设计夹具，对公司多项产品夹具设计进行普及、推广应用，同时对新订单中产品的尺寸形状进行分析，结合同类型产品已有夹具，可快速高效的加工更多的产品，提升了产品的加工效率，满足了产品交付节点，获得了客户的好评。

6 结语

本文主要通过对夹具的使用原理、开发利用、加工工艺、设计方式以及使用做了具体的分析，根据这些方面的了解，再加上主机对于工艺的特殊要求，该设备主要用于自动化的生产方面，未来的发展可能就是由机器人来进行操作，没有更多人为操作。其中如果要进行类别的更换就只需要用扫码枪进行识别就可以了，不用再进行手动操作。这种数控系统会自动的进行识别然后操作，在一定程度上实现了自动化的加工。这种夹具的设计已经被开始试用，如果后期效果好，就会被广泛的使用，如果有些指标不符合要求，就要进行优化，直到达到标准。这就在一定程度上提高了工作的效率。