数控铣床与加工中心夹具设计_周太平
数控铣床与加工中心夹具设计
周太平, 康志成, 夏翔(井冈山大学工学院, 吉安343009)
摘要:提出针对数控铣床、加工中心所用夹具的设计方法。合理的夹具设计能充分发挥数控机床的潜力, 提高加工效率。提供加工中心夹具设计实例。
关键词:夹具设计; 数控铣床; 加工中心; 回转; 效率
中图分类号:T P 75 文献标志码:B 文章编号:1671—3133(2011) 02—0091—05
D e s i g no f f i x t u r e s f o r C N Cm i l l i n g m a c h i n e s a n dm a c h i n i n g c e n t r e s
Z H O UT a i -p i n g , K A N GZ h i -c h e n g , X I AX i a n g
(S c h o o l o f E n g i n e e r i n g , J i n g g a n g s h a n U n i v e r s i t y , J i a n 343009, J i a n g x i , C h i n a )
A b s t r a c t :P r e s e n t s s e v e r a l m e t h o d s o f d e s i g n i n g f i x t u r e s t ob eu s e do nC N Cm i l l i n g m a c h i n e s a n dm a c h i n i n gc e n t r e s . I t p o i n t s o u t t h a t r a t i o n a l f i x t u r e d e s i g n i n g c a n b r i n g t h e p o t e n t i a l o f C N Cm a c h i n e s i n t o f u l l p l a y a n d r a i s e t h e p r o c e s s i n g e f f i c i e n c y . A l s o f u r n i s h e s a n i n s t a n c e o f t h e d e s i g n o f f i x t u r e s f o r m a c h i n i n g c e n t r e s .
K e yw o r d s :f i x t u r ed e s i g n i n g ; C N Cm i l l i n g m a c h i n e ; m a c h i n i n g c e n t r e ; r o t a t i o n ; e f f i c i e n c y
机械加工中普遍使用机床夹具。传统的夹具设
计, 有详尽的资料和成熟的经验供参考与借鉴。数控铣床和加工中心近年来得到广泛应用, 以其加工高效率、高精度和对工件的高适应性使传统的机械加工发生了巨大的变化。但在资料中, 有关数控铣床和加工中心的夹具设计内容极少。本文根据数控铣床和加工中心的加工特点, 探讨其夹具设计的方法, 使数控铣床和加工中心能充分发挥加工潜力。
上述加工工艺看出, 每加工1个工件, 需要换刀4次
。
图1 工件一
现根据工件外形尺寸和机床行程, 夹具设计成每次装夹8个工件, 如图2所示, 其工艺过程为:换孔a 扩孔刀, 依次扩工件1~工件8的孔a ※换孔b 扩孔刀, 依次扩工件1~工件8的孔b ※换孔a 铰刀, 依次铰工件1~工件8的孔a ※换孔b 铰刀, 依次铰工件1~工件8的孔b
。
1 夹具设计采用一次装夹多个工件
数控铣床以压缩空气为动力, 松开、夹紧刀具, 方
便手动换刀, 而加工中心则能实现自动换刀。加工时换刀能实现依次加工多种表面, 但每次换刀耗时较多, 特别是自动换刀有时会出现故障(加工中心的故障大部分出在自动换刀系统) 。因此, 在满足加工要求的前提下, 减少换刀次数能节省辅助时间, 可提高数控机床的工作可靠性。本文通过合理的夹具设计(如采用一次装夹多个工件) , 适当地调整工艺能最大限度地减少换刀次数。
如图1所示的工件, 要在立式加工中心上完成扩、铰孔a 和孔b , 原夹具设计每次装夹1个工件, 其加工工艺过程为:换孔a 扩孔刀, 扩孔a ※换孔b 扩孔刀, 扩孔b ※换孔a 铰刀, 铰孔a ※换孔b 铰刀, 铰孔b 。从
图2 每次装夹8个工件
由上述加工工艺看出, 加工8个工件, 只要换刀4次, 可大大节省辅助时间(机床工作台移动时间相对
91
换刀时间极少) 。2. 4 立式数控铣床所用夹具设计
立式数控铣床加工时, 切屑易落在工件与夹具
上。设计夹具时, 要特别考虑排屑, 这对于工序集中、连续加工的加工中心尤为重要。合理的排屑应使切屑不影响刀具切削的自动进行; 使切屑不易落在夹具的定位元件上, 以保证定位精度; 使切削液便于冲刷、带走切屑; 使压缩空气便于吹除切屑。2. 5 卧式数控铣床所用夹具设计
卧式数控铣床或加工中心一般配有分度工作台(或回转工作台) 。加工过程中, 夹具也要随工作台回转。设计多件装夹夹具时, 应保证各工件上相同加工要素的位置在回转前后能精确重合(见后实例) 。夹具尽量靠近工作台边缘, 使工件与主轴锥孔端面距离小, 这样有利于减短刀杆的长度, 也有利于排屑。
2 多件装夹夹具设计要点
2. 1 合理布置工件
根据工件外形尺寸、机床工作台尺寸、机床行程及生产批量来确定每次装夹的工件数量和布置方式。各工件之间距离应合适, 如图2中取合适的工件距离m 和n , 以便装卸工件和清除切屑。另外, 安装后工件敞开性要好, 以便实现工序集中加工。2. 2 各定位元件组之间距离应精确
定位元件之间的距离如图3所示, 图3中, 夹具采用一面两销定位, 每组定位元件中的圆柱销与菱形销之间的距离x 1和y 1根据工件尺寸确定。各组定位元件之间的距离, 如两圆柱销之间的距离x 2和y 2应精确, 以保证机床运动部件(如刀具) 按程序移动后, 相对各工件有精确的位置。2. 3 合理的夹紧方式
夹紧元件尽可能简单, 以便刀具运动有更多的安全空间。尽量考虑联动夹紧, 实现同时夹紧多个工件, 以便减少夹紧元件
[2]
3 多件装夹夹具设计实例
本夹具用于卧式加工中心加工如图5所示的工件的2个端面和2个同轴孔
。
。如图3所示, 每个压板同
时夹紧2个工件。由于数控铣床多采用工序集中的加工方式, 粗、精加工有时难以明显分开, 故夹紧力偏大。这样易在工件表面留下压板的压痕。简单有效的解决方法是在压板上与工件接触的部位焊上一层铜, 如图4所示
。
图5 工件二
图3
定位元件之间的距离
3. 1 工件的加工要求
+0. 018
工件的面C 、面D 及孔2- 15H 7() 已经加 0工。本工序要铣面A 、面B 、扩、镗同轴孔1及同轴孔2。由于同轴孔1及同轴孔2中部的孔径小, 加工时, 需从两端进行。3. 2 夹具功能
图4 压板焊铜
选择工件的面C (D ) 及孔2- 15H 7( 0
+0. 018
) 为定位
基准, 夹具用一面两销(一圆柱销, 一菱形销) 使工件定位。通过巧妙设计夹具, 可以用一套夹具在同一工
序中完成工件的加工, 且可以实现一次安装6个工件。卧式加工中心夹具如图6所示。3. 3 使用夹具加工过程
工件安装后, 面C 与夹具定位面接触。现工件上的面A 位于夹具边缘。
加工过程为:铣削位于夹具Ⅰ-Ⅰ边各工件的面A ※依次扩、镗各工件的同轴孔1、同轴孔2, 其中, 中部小孔的长度尺寸应加工过半。
工作台回转180°。这时夹具的Ⅰ-Ⅰ与Ⅱ-Ⅱ边对调, Ⅱ-Ⅱ边到达加工区。回转后工件的端面及同轴孔1、同轴孔2的位置与回转前完全重合。接下来加工位于夹具Ⅱ-Ⅱ边各工件的面A 及同轴孔1、同轴孔2, 其中, 中部小孔的长度尺寸应加工过半。到此, 加工完成面A 及从面A 端加工的孔。
松开工件, 将工件翻转180°。这时, 工件的面D 与夹具定位面接触, 面B 位于夹具边缘。
接下来加工面B 及从面B 加工的孔。加工过程与前面相同, 工作台也要回转180°。加工中部小孔时, 应与前面已加工的部分接通。
3. 4 夹具设计要点1) 设立回转中心和侧面找正基准。此夹具的回转中心为 30H 5孔, 安装时, 30H 5孔与分度工作台回转中心重合。选择夹具上精度较高的长侧面作为夹具安装时的校正基准。
2) 确定圆柱销、菱形销的位置。圆柱销、菱形销的位置决定了各工件在夹具中的位置。工件安装后, 要满足以下要求:(1) 各加工孔中心到回转中心的距离应对称、一致。如图6中, 该距离分别为x 1、x2、x3。(2) 各加工端面(孔端面) 到回转中心的距离应对称、一致。如图6中, 该距离同时为y 这样使得工件
上1。
图6 卧式加工中心夹具
93
对应点到回转中心距离相等, 如图6中的2个尺寸L 。这样才能保证工作台回转180°后, 工件上孔1、孔2及
端面的位置与回转前完全重合(好处之一是便于数控编程时编写与调用子程序) 。设计时, 通过合适的圆柱销、菱形销位置来满足以上要求。从图6中看出, 为满足这些要求, 定位销到回转中心的X 方向和Y 方向的距离都标注了公差。
3) 工件边缘延伸出夹具边缘。如图6中在Y 方向, 工件边缘延伸出4m m , 这是为了便于端面加工, 利于排除切屑。
3. 5 夹具定位精度分析
本工序的部分加工要求如图5所示(由于后续有刚性镗铰工序和浮动研磨工序, 故本工序要求不高) 。两定位孔直径为 15H 7(计算两销中心距
-0. 006
[3]
+0. 018
0
图7 圆柱销与菱形销定位的基准位移
) , 中心距为140±0. 03,
差ΔY 1和角度位移误差ΔY 2。直线位移误差ΔY 1就是两处的最大间隙X 和X 1m a x 2m a x 。角度位移误差ΔY 2由转角
误差±Δ导致:αt a n ΔX X /(2L ) α=(1m a x +2m a x ) 式中:Δα为转角误差, 可以在两个方向偏转, 故为±ΔL 为中心距, L =140。α;
故:
X X 1m a x +2m a x t a n Δ=0. 00026α2L 2×140由于菱形销处的间隙大, 产生的误差大, 故计算菱形销处的基准位移误差。工件上靠近菱形销一端的面B 处基准位移误差Δ′最大:Y
Δ′ΔΔ0. 041+2×15×0. 00026=Y =Y 1+Y 2= 0. 0488式中:Δ′为面B 处产生的基准位移误差; ΔY Y 1为直线位移误差, 在菱形销处, ΔX 0. 041; ΔY 1=2m a x =Y 2为角度位移误差, 考虑两个方向偏转, 在面B 处, ΔY 2=2L a n ΔL 到菱形销的距离, L 15。1t α; 1为面B 1=
(2) 由于定位销到工作台回转中心的距离有误差, 导致工作台180°回转后, 定位基准发生位移(刀具位置由程序决定, 是不变的) , 产生基准位移误差为Δ″″Y 。ΔY 大小为定位销到工作台回转中心尺寸的公差, 如图6所示, X 方向尺寸的偏差为±0. 01, 故Δ″0. 02。Y =
(3) 由于工作台回转角度有误差, 导致回转后, 定位基准发生位移, 产生基准位移误差Δ Y 。研究与回转中心距离最大的定位销的情况。图6中, 距离回转中心X 方向最大尺寸为215, Y 方向为165。现工作台回转误差
[5]
为140±0. 01, 圆柱销直径为
-0. 015
15-0. 014, 菱形销直径为 15-0. 023, 如图6所示。
如图5所示, 工序尺寸中, 孔径尺寸(未表示出) 由定尺寸刀具保证, 不受夹具定位精度影响。孔的深度尺寸(未表示出) 和端面尺寸均为低精度, 未注公差, 夹具定位精度对其影响不大。现分析夹具定位误差对工序尺寸35±0. 1和85±0. 15的影响。
1) 定位误差对尺寸35±0. 1的影响。定位误差Δ包括基准不重合误差Δ和基准位移误差ΔD B Y 。尺寸35±0. 1的工序基准与定位基准重合, 故Δ0。基B =准位移误差对尺寸35±0. 1的影响, 由以下3个因素产生现分析如下。
(1) 由于定位销与定位孔之间存在间隙, 使基准产生位移
[4]
, 导致基准位移误差。圆柱销与菱形销定
位的基准位移如图7所示, 考虑极端情况, 在圆柱销处存在最大间隙X 、在菱形销处存在最大间隙X , 1m a x 2m a x 分别为:
X d 1m a x =D1m a x -1m i n X d 2m a x =D2m a x -2m i n
式中:D 为与圆柱销配合的工件孔最大直径, D 1m a x 1m a x =15+0. 018; D 为与菱形销配合的工件孔最大直径, 2m a x D 15+0. 018; d 为圆柱销最小直径, d 15-2m a x =1m i n 1m i n =0. 014; d 为菱形销最小直径, d 15-0. 023; X 2m i n 2m i n =1m a x 为圆柱销处的最大间隙, X (15+0. 018) -(15-1m a x =0. 014) =0. 032; X 为菱形销处的最大间隙, X 2m a x 2m a x =(15+0. 018) -(15-0. 023) =0. 041。
在尺寸35±0. 1方向上, 存在的最大间隙会导致基准位移误差Δ基准位移误差Δ包括
直线位移误Y 。Y 为±2″。工作台回转角度误差产生基准位
移如图8所示, 回转后的理想位置在点O , 最大偏差位
的1/3, 满足要求。这里的定位误差计算通过分析几何关系得到。事实上, 也可以用C A D 软件精确绘图得到。
2) 定位误差对尺寸85±0. 1的影响与对35±0. 1的影响相似。
4 结语
数控铣床的夹具设计与传统的夹具设计有所不同。根据数控铣床和加工中心的加工特点, 合理设计
图8 工作台回转角度误差产生基准位移
夹具, 尽量采用一次装夹多个工件, 以便充分利用机床的加工潜力。
参考文献:
[1] 周太平. 提高加工中心使用效率实例一则[J ]. 机械
制造, 2002(9) .
[2] 廖宁. 数控机床“交钥匙”工程中的若干工艺问题
[J ]. 现代制造工程, 2003(9) .
[3] 王光斗, 王春福. 机床夹具设计手册[M ]. 上海:上海
科学技术出版社, 2000.
[4] 肖继德, 陈宁平. 机床夹具设计[M ]. 北京:机械工业
出版社, 2000.
[5] 方新. 数控机床与编程[M ]. 北京:高等教育出版社,
2007.
置在点O ′和点O ″。基准位移误差Δ ′O ″在Y 为O 35±0. 1方向的投影, 即O ′N 的长度:
O ′N=O ′O ″c o s 52°29′45″
O ′O ″=2×O O ′=2×271. 017×t a n 0°00′02″= 0. 005
故:Δ O ′N =O ′O ″c o s 52°29′45″=0. 005×Y = co s 52°29′45″=0. 003
对尺寸35±0. 1产生影响的基准位移误差Δ为3Y
个因素产生的基准位移误差之和:ΔΔ′Δ″Δ 0. 0488+0. 02+Y =Y +Y +Y =
0. 003=0. 0718
对尺寸35±0. 1产生影响的定位误差Δ为基准D
不重合误差Δ和基准位移误差Δ之和:B Y
ΔΔΔ0+0. 0718=0. 0718D =B +Y =
经计算, 定位误差Δ大约为工序尺寸35±0. 1公差D
(上接第64页)
言来表达这两类产品族结构, 构造了相应的产品族配置方法, 组建了基于W e b 的虚拟设计平台的框架。使用这种方法可以简单快捷地获取大量的用户需求信息, 有助于在面向大规模定制模式的生产中提高产品的用户满意度。
参考文献:
[1] J e r n e j K o v s e , T h e oH a r d e r , N o r b e r t R i t t e r . S u p p o r t i n g
M a s s C u s t o m i z a t i o nb yG e n e r a t i n gA d j u s t e dR e p o s i t o -r i e s f o r P r o d u c t C o n f i g u r a t i o nK n o w l e d g e . h t t p ://w w -w d v s . i n f o r m a t i k . u n i -k l . d e /pu b s /pa p e r s /KH R 02. C A D . p d f .
[2] Ji a o J a n x i n , M i t e c h e l l T s e n g . Am e t h o d o l o g yo f d e v e l o -p i n g p r o d u c t f a m i l y a r c h i t e c t u r e f o r m a s s c u s t o mi z a t i o n [J ]. J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g , 1999(10). [3] F u j i t a , K i k u o . P r o d u c t v a r i e t y o p t i m i z a t i o n u n d e r m o d u l a r
作者简介:周自强, 副教授, 研究方向:计算机集成制造系统。
黄景飞, 副教授。李木军, 副教授。沈连婠, 教授。
E m a i l :Z z q he f e i @163. c o m 收稿日期:2010-03-22
作者简介:周太平, 教授、工程师, 从事机械设计与制造、C A D /CA M
的研究与教学, 已发表论文约30篇。
E -m a i l :j a z t p @126. c o m 收稿日期:2009-10-29
a r c h i t e c t u r e [J ]. C o m p u t e r -A i d e d D e s i g n , 2002(10) . [4] 周自强, 李晓光, 沈连婠. 基于特征语言的远程协同
实体建模研究[J ]. 现代制造工程, 2003(2) . [5] 鲁玉军, 余军合, 祁国宁, 等. 基于事物特性表的产品
变型设计[J ]. 计算机集成制造系统-C I M S , 2003(9) . [6] 冯小侠, 刘胜. 一种动态参数式产品定制实现机制及
应用[J ]. 中国机械工程, 2004(15) .
[7] 李敏, 徐福缘, 顾新建, 等. 面向大批量定制的产品设
计方法研究[J ]. 中国机械工程, 2002(13) .
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