劉惠強(qiáng)，薛 明，陳小軍

(東莞技師學(xué)院技能競(jìng)賽辦公室，廣東東莞 523000)

基于汽車固定盤零部件制造的四軸夾具設(shè)計(jì)

劉惠強(qiáng)，薛 明，陳小軍

(東莞技師學(xué)院技能競(jìng)賽辦公室，廣東東莞 523000)

固定盤是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)最重要的零部件之一，其加工精度將直接影響傳動(dòng)系統(tǒng)的品質(zhì)與性能。針對(duì)固定盤生產(chǎn)加工效率低，裝夾難度大，批量大，經(jīng)濟(jì)成本高等特點(diǎn)，確定了固定盤的加工工藝方案和裝夾定位方式，并設(shè)計(jì)制造了集氣壓、液壓于一體的自動(dòng)化四軸專用夾具和裝料機(jī)械手。通過實(shí)際生產(chǎn)表明：該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了夾具快速裝卸、批量自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)品的各項(xiàng)精度均符合生產(chǎn)技術(shù)要求，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，降低了經(jīng)濟(jì)成本和次品率。

汽車零部件;四軸;氣動(dòng)液壓夾具

0 引言

汽車零部件因其種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、批量生產(chǎn)任務(wù)重等因素，因此決定了零部件在制造過程中對(duì)工裝夾具的要求高。汽車零部件的生產(chǎn)在國外已經(jīng)形成了模塊化、自動(dòng)化生產(chǎn)，而在我國部分汽車零部件產(chǎn)品制造仍然使用傳統(tǒng)的加工工藝及工裝設(shè)備，不僅阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且對(duì)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、加工技術(shù)的創(chuàng)新造成了滯后［1］。

根據(jù)汽車零部件制造的特點(diǎn)，工裝夾具及其加工工藝尤為重要，因此要提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，降低次品率，必須設(shè)計(jì)選用自動(dòng)化程度高，具有模塊化生產(chǎn)加工性能的設(shè)備。在工裝設(shè)備應(yīng)用中氣動(dòng)夾具、液壓夾具因其裝夾方便、快捷，通常運(yùn)用到具有自動(dòng)化程度高、批量生產(chǎn)的機(jī)械制造中。根據(jù)這一優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了氣壓和液壓控制的汽車固定盤零部件制造四軸專用夾具，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制、模塊化生產(chǎn)，而且大大降低了生產(chǎn)成本。

1 汽車零部件的工藝分析

圖1為汽車固定盤的實(shí)體圖，客戶對(duì)該零件的要求:第一，加工零件必須符合圖紙技術(shù)要求;第二，每月需求是45萬件。該產(chǎn)品的加工特點(diǎn)是大批量，加工精度要求高，交貨周期短。通過對(duì)該產(chǎn)品的加工工藝分析，確定該產(chǎn)品的加工工藝流程:數(shù)控車粗加工毛坯→數(shù)控車精加工外形(保證零件尺寸精度)→數(shù)控銑床加工端面孔→數(shù)控銑加工端面圓弧槽。從產(chǎn)品的加工流程可知數(shù)控車床加工部分可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，但是數(shù)控銑床加工部分如果沒有專用的裝夾設(shè)備是很難實(shí)現(xiàn)零件的批量生產(chǎn)，同時(shí)難以保證產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)次品率最低。

圖1 固定盤實(shí)體

經(jīng)過綜合研究產(chǎn)品的加工工藝過程、加工技術(shù)要求、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率，要保證大批量生產(chǎn)必須設(shè)計(jì)具有批量生產(chǎn)的氣壓或者液壓專用夾具，同時(shí)該零件在加工時(shí)需要數(shù)控加工中心旋轉(zhuǎn)角度加工端面圓弧槽提高加工效率，因此選擇四軸加工中心銑削。

研究確定加工該零件的夾具為三點(diǎn)定位夾緊方式的四軸氣動(dòng)液壓夾具。該夾具主要是由機(jī)械手氣動(dòng)夾具和四軸液壓夾具兩大模塊組成［2-3］。機(jī)械手部分是應(yīng)用氣動(dòng)夾具原理實(shí)現(xiàn)零件的裝卸，而四軸液壓夾具是應(yīng)用液壓夾具原理實(shí)現(xiàn)零件的定位裝夾。四軸氣動(dòng)液壓夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易維護(hù)、自動(dòng)化程度高。

2 氣動(dòng)液壓夾具的控制系統(tǒng)及工作過程

2.1 機(jī)械手氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)及其工作過程

圖2 機(jī)械手氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)圖

圖2、圖3分別為機(jī)械手氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)圖、產(chǎn)品圖，該夾具主要是由氣缸、機(jī)械手、夾具體組成，機(jī)械手和夾具體都是通過氣缸傳遞能量。該機(jī)械手氣動(dòng)夾具的工作過程主要是通過1氣缸將壓力傳遞給2機(jī)械臂，2機(jī)械臂在受到1氣缸的推力和拉力后使得2機(jī)械臂做垂直向上和水平向右的動(dòng)作。當(dāng)2機(jī)械臂處于水平狀態(tài)后，在7氣缸的作用下使得3機(jī)械手水平向右移動(dòng)。在5氣缸的作用下使得4機(jī)械手指板夾緊工件，當(dāng)工件夾緊后通過7氣缸使得3機(jī)械手向前推進(jìn)，直到4機(jī)械手指板夾緊的工件被四軸夾具順利夾持。然后通過6氣缸推動(dòng)4機(jī)械手指板工件在四軸夾具上夾持牢固。機(jī)械手氣動(dòng)夾具的這一完整的工作過程主要都是在氣缸的壓力推動(dòng)下完成的，因此該夾具的核心主要是氣缸的選用與確定。

2.2 四軸加工中心夾具結(jié)構(gòu)及其工作過程

圖3 機(jī)械手氣動(dòng)夾具產(chǎn)品

圖4、圖5分別為四軸液壓夾具結(jié)構(gòu)圖、產(chǎn)品圖，它主要是由四軸分度轉(zhuǎn)盤、液壓站、夾具體組成。該四軸液壓夾具的工作過程主要是液壓站通過液壓油產(chǎn)生壓力推動(dòng)夾具上的單作用液壓缸實(shí)現(xiàn)零件的定位裝夾。圖5所示，夾具體和液壓缸裝配好后，將夾具兩端通過法蘭裝夾到四軸分度盤上。液壓油通過夾具體1進(jìn)油孔輸入，油液進(jìn)入5個(gè)液壓缸，在液壓油推力作用下，6活塞桿向下壓縮7彈簧，彈簧被壓縮后4夾具體上下表面在8液壓缸和6活塞、3螺釘作用下被夾緊。當(dāng)液壓油失去壓力后，彈簧逐漸恢復(fù)彈性，工件在夾具體上松開。

圖4 四軸液壓夾具設(shè)計(jì)圖

圖5 四軸液壓夾具產(chǎn)品

該夾具在設(shè)計(jì)過程中綜合考慮了加工環(huán)境和工作要求，其中有幾個(gè)細(xì)節(jié)對(duì)夾具在工作中起到了重要的作用。第一，4夾具體上表面2圓形溝槽，此溝槽的作用是降低夾具體上表面夾緊部位的應(yīng)力集中，使得上表面在動(dòng)作時(shí)更易被液壓缸壓縮夾緊;第二，工件在定位面上設(shè)計(jì)成凸圓懸空三點(diǎn)定位的支撐方式，不僅可以起到定位的作用，而且可以有效降低工件振動(dòng);第三，工件定位部位的5通孔，此處通孔的作用是方便排出鐵屑;第四，工件裝夾部位的半圓槽，它的作用是當(dāng)?shù)毒咴诩庸すぜ砻娴膱A槽時(shí)避免與夾具發(fā)生干涉，有效的起到了避空的作用。

3 四軸氣動(dòng)液壓夾具的參數(shù)確定

3.1 機(jī)械手氣動(dòng)夾具主要參數(shù)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)夾具因?yàn)檠b夾快捷、方便、可靠，因此常用于大批量生產(chǎn)［4］。氣動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)主要是氣缸的選用與計(jì)算。氣缸的缸徑大小決定了氣缸輸出力的大小，缸徑大小的確定可以通過標(biāo)準(zhǔn)查閱。在設(shè)計(jì)時(shí)可以預(yù)選缸徑計(jì)算夾緊力，然后通過優(yōu)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)或改變氣缸缸徑來滿足所需要的夾緊力。

該機(jī)械手設(shè)計(jì)的氣動(dòng)夾具采用的是單缸雙作用氣缸［5］，因此可將氣動(dòng)夾具簡(jiǎn)化為如圖6所示的杠桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)杠桿平衡原理:式中:P為單缸雙作用氣缸推力(kgf);F為夾緊力(kgf);A為氣缸力臂(mm);B為夾緊力臂(mm)。

圖6 單缸雙作用氣缸夾具原理

根據(jù)氣缸運(yùn)動(dòng)工作原理:

式中:d為氣缸的缸徑(cm);η為氣缸的負(fù)載率，一般取50%;p為氣缸工作壓力(kgf/cm2)。

將(1)式帶入(2)式求出夾緊力為:

因?yàn)榇颂帣C(jī)械手氣動(dòng)夾具的工作要求是只需要裝卸零件，所以需要的夾緊力不需要太大，只要能保證工件裝卸自如即可，因此根據(jù)實(shí)際需要和經(jīng)驗(yàn)分析，機(jī)械手氣動(dòng)夾具的夾緊力F≥50kgf即可滿足要求。經(jīng)查閱相關(guān)資料，取氣缸氣壓p=5kgf/cm2(即5MP)，根據(jù)公式(3)可知，氣缸的缸徑為D=63mm，滿足要求。如果F ＜43.8kgf，可以調(diào)整的值，或者選用缸徑較

大的氣缸。因此選用JSI-63*200-S-CA型號(hào)的氣壓缸，其他氣缸的缸徑均可按此方法確定。

3.2 四軸液壓夾具的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

液壓夾具雖然與氣動(dòng)夾具具有相似的優(yōu)點(diǎn)，但是液壓夾具的工作壓力大且穩(wěn)定，因此液壓夾具常用于大批量、重切削的自動(dòng)化生產(chǎn)。液壓夾具的設(shè)計(jì)過程主要是根據(jù)實(shí)際用途需要，首先結(jié)合工況要求確定液壓夾具的類型，然后根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求確定液壓夾具的相關(guān)參數(shù)，如液壓缸缸徑、液壓缸夾具的夾緊力、液壓缸的外負(fù)載等。

該研究設(shè)計(jì)的四軸液壓夾具采用的是單缸單作用液壓缸(圖4、圖5所示)，液壓夾具在設(shè)計(jì)時(shí)其中負(fù)載受力是關(guān)鍵因素，然后確定其缸徑等其他參數(shù)。液壓缸在工作時(shí)所受外負(fù)載力F包括三種類型［6-8］:一是工作負(fù)載，二是慣性負(fù)載，三是摩擦阻力負(fù)載。因此液壓缸外負(fù)載為:

式中:Fw為工作負(fù)載，對(duì)于金屬切削機(jī)床來說，即為機(jī)床加工時(shí)的切削合力;Fa為運(yùn)動(dòng)部件速度變化時(shí)的慣性負(fù)載;Ff為導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦阻力，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦阻力，對(duì)于平導(dǎo)軌Ff可由Ff=f(G+FRn)求得，G為運(yùn)動(dòng)部件重力(此處按1000N);FRn為垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載(此處為切削軸向力);f為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，分別取動(dòng)摩擦、靜摩擦系數(shù)為0.1、0.2。

(1)圖7所示，通過軟件估算機(jī)床切削時(shí)的工作負(fù)載:

由(4)式可知F=Fw+Fa+Ff=28848N。根據(jù)實(shí)際需要和查表綜合估算液壓缸的工作壓力P=10MP。

圖7 切削數(shù)據(jù)估算

液壓缸的總負(fù)載力和工作壓力存在以下關(guān)系:

4 總結(jié)

根據(jù)汽車固定盤的加工工藝特點(diǎn)，成功設(shè)計(jì)了具有較高自動(dòng)化、模塊化的專用工裝夾具設(shè)備，實(shí)際生產(chǎn)證明汽車固定盤四軸氣動(dòng)液壓夾具設(shè)計(jì)合理，不僅解決了批量生產(chǎn)問題，而且降低了制造成本和提高了生產(chǎn)效率，符合生產(chǎn)實(shí)際要求。該四軸夾具的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單、典型，值得推廣應(yīng)用于批量生產(chǎn)的同類產(chǎn)品。

［1］盧小波.基于UG建模的數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32(11):138 －140.

［2］吳衛(wèi)東，廖文和.基于特征的夾具設(shè)計(jì)信息模型及其應(yīng)用研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(5):94－97.

［3］蔣波，賴玉活.操縱器蓋銑加工夾具設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(9):144－146.

［4］肖鐵忠，黃娟，羅靜.發(fā)電機(jī)組氣缸頭氣門精加工專用夾具設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015(3):147－160.

［5］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).氣動(dòng)氣缸技術(shù)條件(JB/T 5923－2013)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［6］李慶，宋萬清.一種液壓閥的第四軸夾具設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35(17):109 －112.

［7］國家機(jī)械工業(yè)局.液壓缸技術(shù)條件(JB/T 10205－2000)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［8］手嶋力.液壓機(jī)構(gòu)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

(編輯 趙蓉)

The Design of 4-axis Fixture Based on the Manufacture of Automobile Com ponents

LIU Hui-qiang，XUE Ming，CHEN Xiao-jun
(Professional Skills Competition Centre，Dongguan Technology College，Dongguan Guangdong 523000，China)

Fixed disk is one of the most important automotive driveline components，the precision w ill directly affect the quality and performance of the transm ission system.For fixed disk production and processing low efficiency，clamping difficult，volume，and high economic costs，to determine the processing programs and the fixed plate positioning fixture，Design andmanufacture a setof pneumatic，hydraulic automation in axis special fixture and loading robot.By the actual production showed that:Achieve rapid loading fixture，volume automated production，the products precisionmeet the technical requirements，Improve production efficiency and reduce the economic costs and reject rates.

auto parts;4-axis;pneumatic clamp

TH122;TG659

A

1001－2265(2015)12－0124－03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.033

2015－05－09;

2015－06－10

劉惠強(qiáng)(1984—)，男，廣東東莞人，東莞技師學(xué)院講師，研究方向?yàn)椴牧铣尚图翱刂乒こ蹋?E－mail)lhq_dgjx@126.com;通訊作者:薛明(1987—)，男，四川巴中人，東莞技師學(xué)院助教，助理工程師，研究方向數(shù)控加工技術(shù)及CAD/CAM/CAPP技術(shù)，(E－mail)sn2006@126.com。