梁宇明 賴輝

摘要：隨著先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，五軸加工應(yīng)用越來(lái)越廣泛。五軸夾具作為五軸加工中心機(jī)床的重要組成部分，關(guān)系著產(chǎn)品的加工質(zhì)量。文章詳細(xì)介紹了基于寶雞TECH-V11D五軸加工中心五軸夾具的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原理和步驟。通過(guò)對(duì)圓棒料、方形料和粗加工毛坯五軸夾具裝夾的多次切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證五軸夾具設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

Abstract： With the development of advanced machinery manufacturing technology， five-axis machining is more and more widely used. As an important part of the five-axis machining center machine tool， the five-axis fixture is related to the processing quality of the product. The article introduces in detail the design ideas， design principles and steps of the five-axis fixture based on the Baoji TECH-V11D five-axis machining center. Through multiple cutting experiments of five-axis fixture clamping for round bars， square materials and rough machining blanks， it is verified that the five-axis fixture design meets the actual production requirements.

關(guān)鍵詞：五軸夾具設(shè)計(jì);五軸加工中心;通用夾具;夾緊設(shè)計(jì)

Key words： five-axis fixture design;five-axis machining center;general fixture;clamping design

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162;TG65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0079-02

0 ?引言

現(xiàn)代機(jī)械加工制造日新月異，科技更新?lián)Q代層出不窮，尤其是以五軸加工技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)的五軸加工中心技術(shù)也在不斷發(fā)展，對(duì)于五軸加工中心而言，其是一種精密度相對(duì)較高的加工設(shè)備[1]。五軸加工中心的加工具有高速、高精度、加工曲面復(fù)雜等特點(diǎn)，五軸加工中心的夾具在高精加工中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，對(duì)整個(gè)加工零件質(zhì)量有直接的影響，它關(guān)系到加工中定位的準(zhǔn)確性，從而影響加工產(chǎn)品的加工精度。

1 ?夾具設(shè)計(jì)背景

本文所設(shè)計(jì)的五軸夾具是基于寶雞TECH-V11D五軸加工中心機(jī)床，該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為12000rmp，A軸旋轉(zhuǎn)角度為±110°，切削速度可達(dá)2000mm/min，重復(fù)定位精度0.005mm，帶有五軸刀尖跟隨功能（RTCP）。

但該五軸機(jī)床的五軸夾具為高精度三爪卡盤(pán)，三爪卡盤(pán)體積較大，外形尺寸為Φ250×80mm。五軸機(jī)床在三軸加工的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，大尺寸的三爪卡盤(pán)通用夾具在夾緊中小型坯料加工時(shí)，機(jī)床在A軸旋轉(zhuǎn)90°開(kāi)粗加工時(shí)，刀柄極易與三爪卡盤(pán)的卡爪發(fā)生干涉和碰撞，而主軸容易和三爪卡盤(pán)的底盤(pán)發(fā)生干涉和碰撞，造成重大事故。

這時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)用于裝夾中小型坯料的五軸通用夾具成了迫切的需要。這個(gè)通用夾具應(yīng)按照在高精度三爪卡盤(pán)上，平時(shí)不用拆卸，用于裝夾中小型的坯料;加工大型坯料時(shí)，也可以從三爪卡盤(pán)上拆卸下來(lái)，直接用三爪卡盤(pán)裝夾，方便實(shí)用。

2 ?五軸夾具設(shè)計(jì)思路

夾具的設(shè)計(jì)要求：第一，加工效率高，盡可能使加工刀具軌跡簡(jiǎn)單化，優(yōu)先采用三軸聯(lián)動(dòng)加工;第二，可有效坯料在加工過(guò)程中的顫動(dòng)，保證表面沒(méi)有明顯顫紋，確保加工完成后粗糙度值符合設(shè)計(jì)要求;第三，夾具體的剛性好[3]。

寶雞TECH-V11D五軸加工中心機(jī)床加工的坯料主要為圓棒料和方形料，也有部分為了提高利用率在三軸機(jī)床上粗加工過(guò)的毛坯料。加工坯料形狀的多樣性，特別是已粗加工過(guò)的毛坯，能夠裝夾的部分較少，且加工時(shí)毛坯離三爪卡盤(pán)很近，三爪卡盤(pán)與刀柄或主軸頭極易產(chǎn)生干涉而碰撞。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的五軸夾具必須滿足通用夾具的定位和夾緊這兩個(gè)基本要求外，還必須滿足夾緊的坯料與三爪卡盤(pán)保持一定的安全距離，防止產(chǎn)生干涉碰撞等危險(xiǎn)。

3 ?五軸夾具設(shè)計(jì)的原理及步驟

定位設(shè)計(jì)和夾緊設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，定位設(shè)計(jì)需要遵循著簡(jiǎn)單性原則，過(guò)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)反而會(huì)降低定位的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響工件加工的精準(zhǔn)度。夾緊設(shè)計(jì)則是要保證剛度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的原則，前者是為了避免夾具自身出現(xiàn)損壞，后者則是為了避免加工過(guò)程中，工件脫落或者變形的情況發(fā)生[2]。

3.1 夾緊設(shè)計(jì)

如果坯料在裝夾在夾具后，加工中坯料發(fā)生晃動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致工件的精準(zhǔn)度大幅度下降，出現(xiàn)工件變形或者損壞的現(xiàn)象發(fā)生。下面進(jìn)行具體的分析研究，主要有以下幾點(diǎn)：第一，夾具夾緊需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，要保證夾緊坯料在每個(gè)加工步驟時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)工件的晃動(dòng)，要保證工件始終緊緊的固定在夾緊機(jī)構(gòu)中。第二，我們?cè)谶M(jìn)行夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要遵循以?shī)A具的零件機(jī)構(gòu)保證簡(jiǎn)單性的原則。

夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要目的是為了五軸機(jī)床在高速切削時(shí)，產(chǎn)生的切削力不影響加工坯料的定位，不偏移、不脫落，保證零件的加工精度。加工坯料形狀多樣性，且要求坯料與三爪卡盤(pán)保持一定的安全距離，我們考慮采用五軸夾具與加工坯料間的夾緊方式采用螺絲擰緊的方法。如圖1所示，三爪卡盤(pán)1通過(guò)夾緊五軸夾具底座3上的帶有三個(gè)定位平面圓柱進(jìn)行固定，五軸夾具底座3通過(guò)三顆M8×35螺釘2與定位板5螺紋孔擰緊進(jìn)行連接，定位板5通過(guò)四顆M5×25螺釘2與坯料6的螺紋孔擰緊進(jìn)行連接。該方案不但夾具的夾緊力大，牢固可靠，還可以減少加工坯料中用于裝夾的余料。

3.2 定位設(shè)計(jì)

加工坯料形狀多樣性，且尺寸大小不一，如果定位板定位孔設(shè)計(jì)單一，將導(dǎo)致小坯料夾不了，大坯料夾不緊的情況產(chǎn)生。因此，將定位板設(shè)計(jì)成活動(dòng)式的快換板，主要由兩塊定位板組成。如圖2所示，1號(hào)定位板為方形定位板，供中大型加工坯料的定位使用。如圖3所示，2號(hào)定位板為圓型定位板，供小型加工坯料的定位使用，增大其高度是因?yàn)樾∨髁霞庸に玫毒咻^小，刀長(zhǎng)較短，增大安全距離防止刀具與夾具底座干涉而碰撞。定位板上分布了大小不一的定位孔，根據(jù)加工坯料具體尺寸選擇不同大小的四個(gè)定位孔使用。底面還分布了三個(gè)螺紋孔，通過(guò)M8螺絲與夾具底座擰緊。

如圖4所示，夾具底座的定位圓柱上分布了三個(gè)精銑過(guò)的圓柱定位平面2與高精度三爪卡盤(pán)的卡爪定位平面3進(jìn)行定位配合，夾具底座下底面1與三爪卡盤(pán)的卡爪頂面進(jìn)行定位配合，保證夾具的垂直度和平面度。當(dāng)安裝后夾具底座后，利用高轉(zhuǎn)速的大尺寸銑刀對(duì)夾具底座上頂面5進(jìn)行精銑平面，保證夾具頂面的平面度。如圖5所示，安裝夾具底座3在高精度三爪卡盤(pán)4后，一般情況下都不再拆卸，裝拆坯料1只需拆裝夾具底座3上的定位板2即可。

4 ?驗(yàn)證

我們分別用Φ30mm至Φ120mm圓棒坯料和30mm×30mm至120mm×120mm方形坯料進(jìn)行了十幾次的切削加工試驗(yàn)。切削過(guò)程中，加工坯料定位準(zhǔn)確，無(wú)偏移，無(wú)發(fā)生切削顫抖，無(wú)脫落等情況發(fā)生，刀具與主軸在A軸±110°切削時(shí)，仍與三爪卡盤(pán)保留安全距離，無(wú)干涉碰撞等情況出現(xiàn)。切削完成后，加工精度符合加工要求。經(jīng)過(guò)多方面綜合分析，該五軸夾具的設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

該五軸夾具設(shè)計(jì)，很好地滿足了寶雞TECH-V11D五軸加工中心機(jī)床的實(shí)際加工需求，適用于各類(lèi)型和尺寸的圓棒形、方形及開(kāi)粗后的坯料的裝夾，定位準(zhǔn)確，牢固可靠，有效地避免了刀柄、刀具、主軸與三爪卡盤(pán)發(fā)生干涉和碰撞，同時(shí)也節(jié)省了用于定位與夾緊的余料，達(dá)到了預(yù)期的效果，值得在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行推廣使用。

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課題項(xiàng)目：2019年第二批中國(guó)高校產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金-新一代信息技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目《VR技術(shù)在高職院校多軸數(shù)控加工教學(xué)中應(yīng)用研究》項(xiàng)目論文（課題編號(hào)：2019ITA02007）。

作者簡(jiǎn)介：梁宇明（1981-），男，廣東茂名人，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)?D打印、多軸加工。