装夹长方体类工件的柔性夹具

2022-11-12

无论是在传统制造业还是现代柔性制造系统中, 由于大量的加工操作需要装夹, 夹具设计在制造系统中就显得非常重要, 它直接影响加工质量、生产效率和制造成本。在一个柔性制造系统 (FMS) 中, 夹具设计制造的费用占到整个系统费用的10%～20%。

1 柔性夹具的发展

近几年来, 相变和伪相变材料式柔性夹具发展非常迅速, 相继出现了温度致相变的液体相变固紧夹具、电流变夹具、磁流变夹具及伪相变材料夹具等。但这些夹具无论从性能还是价格, 都还远远不能达到工程应用的标准, 许多问题尚待研究。自适应性夹具可用于夹持横截面不规则变化的长工件, 此类夹具只适合带有曲面或特定的工件, 故发展较慢。模块化程序控制夹具因结构太复杂, 成本过高, 而柔性有限, 因而在生产中的应用受到限制。

由于经济和技术的发展以及数控、加工中心机床的特点, 对机床夹具的使用性能和结构提出了更高更新的要求, 需要一种结构简单、精度高、强度高和通用性好、适应性强、柔性高的新型柔性夹具系统。这种夹具能适应不同的机床、不同的产品或同一产品不同的规格型号, 能最大限度地满足各种机床夹具的需要。今后, 柔性夹具应用技术的发展趋势为:

(1) 夹具元件多功能模块化

能单独使用, 也能与其它元件组合在一起使用的多功能模块化单元体的比例将进一步增加。如现在使用的各种定位夹紧座、定位压紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能, 可以一件单独使用, 也可以几件组装在一起使用。T形基础、方箱能组装成一次能装夹多件相同或不相同的工件的夹具, 使用这种夹具可以减少机床的停机时间, 最大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。

(2) 高强度、高刚性、高精度

为了提高劳动生产率, 缩短工件的加工工时, 工件的加工已向着高速、大切削量方向发展, 工序高度集中, 工件定位夹紧后要依次完成铣、钻、镗等多工序的加工。切削力的大小、方向在不断地变化, 这就需要柔性夹具本身要有较高的使用强度和刚度才能满足工件的加工精度。

(3) 专用夹具、组合夹具、成组夹具一体化

现代化加工设备的多功能化, 使工艺过程高度集中, 工件一次定位装夹后, 能完成多工序加工, 这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统。它是由一系列统一化、标准化的元件和合件组成, 利用这些元件、合件组装成各种不同形式、不同结构、可重复使用的夹具, 供单件或中小批量生产使用。这种夹具系统保留了组合夹具的各种优点, 组装又像专用夹具那样简单可靠, 又有可调整元件, 保留了成组夹具的优点。为了便于夹具与机床定位连接, 夹具基体有统一标准的定位连接位置, 使之专用、组合、成组, 向着一体化、组合化方向发展, 以满足现代化加工设备的需要。

2 装夹长方体类工件的柔性夹具

该夹具所面向的主要对象是长方体类工件, 如板条类、小箱体类零件等, 可允许工件的长宽两个方向的尺寸在较大范围内变化。该夹具系统的工作原理图如图1所示。由图可见, 该夹具主要由夹具体、水平方向定位偏心轮、垂直方向定位偏心轮、夹紧偏心轮及周向限位销等组成。

水平定位偏心轮周向限位孔垂直定位偏心轮周向限位销工件夹具体夹紧偏心轮

根据工件的尺寸大小, 把水平方向和垂直方向的定位偏心轮调整到某一合适位置, 并将限位销插入定位偏心轮限位孔与夹具体上相应的限位孔中, 使定位偏心轮在夹具体上获得确定位置。然后将工件放置在夹具体上, 并使其左侧与两个水平定位偏心轮的侧母线接触, 上侧与垂直定位偏心轮的侧母线接触, 工件的定位即告完成。此后通过手柄转动右侧夹紧偏心轮, 使其趋近工件右侧面。夹紧偏心轮对工件右侧面的法向压紧力, 将使两个水平定位偏心轮的侧母线, 与工件左侧面靠紧;而偏心轮转动时对工件右侧面产生的摩擦力, 将使垂直定位偏心轮的侧母线, 与工件上侧面靠紧。因而, 在夹紧过程中, 该夹具能使得工件的定位更加可靠。需要说明的是, 在夹具体右侧的水平方向上, 加工有若干个等距离的铰支孔, 与夹紧偏心轮配合使用。所以, 夹紧偏心轮的位置, 也是可以根据工件横向尺寸的变化, 而进行调整的。

如图1所示, 设定位偏心轮的半径为R, 偏心距为e, 水平方向定位偏心轮周向转角为α, 水平方向两个定位偏心轮的铰支中心之间的距离为h, 则水平方向两个定位偏心轮的铰支中心, 到工件左侧面之间距离S的计算公式为:

水平方向两个定位偏心轮, 与工件接触的两条侧母线之间的距离L的计算公式为:

当我们知道所要加工的工件的尺寸时, 可以根据工件的尺寸确定S、L的值, 然后再根据公式 (1) 和 (2) 计算出α的值。根据α的值来调整定位偏心轮的位置, 以实现对具体尺寸工件的定位。同理, 垂直方向定位偏心轮铰支中心到工件之间的距离, 也可以参照公式 (1) 来计算。

尽管该柔性夹具的定位与夹紧元件均采用偏心轮, 但二者的工作性质有很大区别。定位偏心轮铰支中心与其周向限位孔之间的距离, 在结构允许的前提下, 应越大越好。目的是提高对工件尺寸的适应能力。而夹紧偏心轮则需要具有自锁功能, 应按照相关著作或手册来确定几何参数。另外, 由于在该夹具中, 定位偏心轮与工件之间, 理论上为线接触方式。对某些具体的工件而言, 可能会造成局部应力过大。在这种情况下, 可以在水平方向的两个定位偏心轮, 与工件左侧面之间, 增加一块平面垫板。以将过大的局部应力转移到该垫板上, 而不至于损坏工件表面。

摘要：随着加工技术的发展, 机械加工过程越来越柔性化, 而目前夹具的柔性化程度已经成为产品快速变换和制造系统新建或重组后运行的瓶颈, 将会严重地影响制造系统的设计建造周期、系统生产率、质量和成本。本文首先介绍了柔性夹具的发展, 然后详细介绍了装夹长方体类工件的柔性夹具。

关键词：柔性夹具,长方体类工件,发展