单位文秘网 2021-07-04 01:14:28 点击: 次
摘要:根据某零件的工艺需求,设计出高效的气动弹性外圆夹具。在夹具设计中采用了定心夹紧机构。论文中详细介绍了该夹具的具体结构及工作原理,以及夹具设计、加工中的难点突破,为夹具的设计及夹具零件的加工提供丰富的素材。
Abstract: According to the process requirements of a particular part, this paper designs the cylindrical fixture aeroelastic with high efficiency and uses design-centering clamping mechanism indesign. This paper describes in detail the specific structure and principleof the fixture, and difficulties breakthrough in fixture design and processing, which provides a wealth of materia for the fixture design and machining fixture.
关键词:定心夹紧机构;弹性夹头;气动夹具
Key words: design-centering clamping mechanism;elastic chuck;pneumatic clamps
中图分类号:F273 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2011)04-0055-02
0引言
夹具是工艺装备的主要组成部分,很大程度上影响着机械产品的质量、生产率及生产成本。机械行业国内外市场竞争的日趋激烈,以及数控机床和加工中心的普遍使用,快速工装准备显得尤为关键。使用夹具可以提高工件的加工精度并保证零件的互换性,提高劳动生产率;同时可以降低劳动强度,改善工人的劳动条件;使用夹具还可以扩大现有机床的应用范围,充分利用现有的设备资源。由于市场的竞争越来越激烈,产品推向市场的周期越来越短,产品更新换代的速度越来越快,因此必须在最短的时间内设计并制造出结构简单、夹紧点固定、夹紧力可靠、能减少工人的劳动强度和人为因素的不稳定性的夹具。图1为某工厂需要生产的零件,需要加工的部位为外圆面Φ104,右端面,内孔Φ72,内孔Φ72与外圆面Φ122有同轴度要求。该零件全长558mm,很难在车床上直接用三爪直接夹持Φ122外圆面进行加工,必须针对该零件的具体外形以及工艺需求设计专用的夹具,实现零件的准确、快速、有效夹持,满足成批生产的需要。
在该专用夹具的设计中采用了定心夹紧机构。定心夹紧机构是机床中的一种特殊夹紧机构,它是在实现准确定心或对中的同时夹紧工件的,其中与工件定位基准相接触的元件既是定位元件,又是夹紧元件。虽然弹性夹头的结构尺寸大都已经标准化,但本夹具采用气动夹紧,所以整个夹具的结构及其中零件的结构都有特殊性,具有参考价值。
1夹具的工作原理
图2所示即为针对该零件的加工要求设计的气动弹性外圆夹具。图中3为夹具基体,通过螺栓与车床主轴卡盘相连;图中9为夹具的弹性夹头,是与工件Φ122外圆面直接接触的元件,既是定位元件,又是夹紧元件。弹性夹头9通过螺纹与活动圈4相连,通过气缸控制拉杆1运动,带动活动圈4与夹爪9在基体内作直线运动。当其向左边运动时,带锥面的压环12与弹性夹头9的锥面相配合迫使夹爪收缩,实现对工件的Φ122外圆面的夹紧;反向运动则实现对工件的放松。该夹具通体比较长,加上被夹持的零件,仅用螺栓固定在机床主轴卡盘上是不够的,容易产生附加弯矩而变形,在使用中还要在基体外加装支持环。
2相关的设计计算
2.1 活塞式气缸的输出拉力F’的计算[1]工艺人员编制的工艺规程中使用的气缸:缸径D=250mm,行程s=30mm,生产中气缸工作压力p=0.5~0.6MPa
D=1.3 F′=p=×(0.6×10)=22189N
当D≥0.1m时,气缸的机械效率η=0.8~0.9,则实际的气缸输出拉力F’=22189÷0.8=27736N
2.2 夹爪的变形阻力R的计算[1]
R=K=400×=157.074(N)
式中:R为夹爪的变形阻力(N);D为夹头弯曲部分的外径(mm);h为夹爪弯曲部分的厚度(mm);Δ为夹爪与工件的径向间隙(mm);l为夹爪的根部至锥面中点的距离(mm);K为系数。
由图纸设计知h=3.5mm,D=139mm,l=297mm,Δ=123-122=1mm。
2.3 弹性夹头总的径向夹紧力W的计算[1]
W=-R=-157.074=82736(N)
式中:W为总的径向夹紧力(N);Q为轴向作用力(N);α为弹性夹爪锥角之半(°);φ1为夹爪与套筒间的摩擦角(°)。
由设计图纸知α=9.5°,φ1=9°,Q=F’=27736N
2.4 切削力的计算工件材料35CrMnSi;刀具材料YT15;主偏角φ=30°
2.4.1 圆周切削分力Fc的计算[2]
Fc=2943apf0.75vc-0.15Kp
=29430.750.30.75103.306-0.151.019=454.86(N)
Fc为圆周切削分力(N);ap为背吃刀量(mm);f为每转进给量(mm);vc为切削速度(m/min);Kp为修正系数。
其中由工艺员编定:ap=0.75mm;f=0.3mm;机床主轴的转速N=350r/min。
切削线速度vc=πDN=3.140.094350=103.306(m/min)
K=KKKKK=1.081.11.01.0=1.019
2.4.2 径向切削分力Fp的计算[2]:
Fp=2383apf0.75vc-0.15Kp
=23830.750.90.30.6103.306-0.31.38=306.615(N)
其中:K=KKKKK
=1.31.41.01.0=1.38
2.4.3 轴向切削分力Ff的计算[2]:
Ff=2326apf0.5vc-0.4Kp
=33260.750.30.5103.306-0.40.89=190.232(N)其中:
K=KKKKK=0.781.41.01.0=0.89
根据以上计算,弹性夹头径向夹紧力W=82736N>工件所受径向切削分力Fp=306.615N。夹具轴向作用力Q=27736N>工件所受轴向切削分力Ff=190.232N。
3该夹具设计和加工中的一些难点突破
问题1如何保证零件加工过程中轴线不变形
该零件的全长558mm,被夹持的Φ122外圆面距离零件左端面有360mm左右,如果只靠夹爪对零件轴线方向45mm长的一段外圆面夹持,零件比较长,质量又比较大,整个零件容易出现轴线变形,不能保证图纸上所要求的同轴度。所以在夹具的中部安置了一根支撑杆8,在撑杆10的前端加工出一段长为30mm,直径为Φ45mm的一段外圆面,作为与零件内孔Φ45mm相配合的一段支撑面,作为整个零件的另外一个支承点,减小轴线的变形。
在支承杆的右端打出螺纹孔,旋入一根支承螺钉10,用以调节支撑杆所需的长度,然后用螺母11锁紧。放置工件时,可方便地将工件的内孔对准支撑杆并沿着支撑杆送入夹具中部,直到工件底部轻轻接触到支撑杆,即可控制拉杆1夹紧工件,减少工人安置工件时位置的调整时间,实现工件的快捷安放。
问题2如何实现固定不动的支承杆的安放以及活动圈的运动
由于支撑杆8是固定不动的,而且必须放置在整个夹具的中心位置,所以必须设计一个固定不动的定位座来安放支撑杆。因此在基体内设计一个固定不动的定位座5,该定位座通过螺钉固定在基体上,同时配以紧定螺钉实现在基体内的固定不动。该定位座的中部加工出M30的螺纹孔以固定支承杆8。
但是夹爪必须能够左右移动,所以必须设计一个既可以联接气缸主轴,又可以联接夹爪的同时又可以在基体内左右移动的活动零件,而这个活动零件又必须穿越定位座来联接穿越机床主轴孔的气缸轴。因此将定位座设计成如图4所示的外伸三爪形状,爪宽32mm。而在活动圈外圆相差120度加工出三个宽35mm的槽,这样定位座的32mm宽的夹爪就可以嵌在活动圈的35mm宽的槽内,从而在定位座不动的情况下,活动圈穿越固定不动的定位座在基体内实现左右运动,这样才可以带动弹性夹爪实现对零件的夹紧与放松。这个结构是整个结构中最为巧妙的部分。
问题3如何实现夹爪的加工
将夹爪设计成如图5所示,开出6个均布的长槽,使得夹爪的终端可以收紧,从而将工件夹紧。夹爪的终端设计成19度的外圆锥面,与压环14的内圆锥面配合,实现夹爪终端的收紧。由于夹爪的外圆锥面要在磨床上加工到表面粗糙度为0.8,在加工时不能将六个均布的细长槽全部切断后上磨床磨削,在加工工艺上要保留完整的夹爪外锥面,在磨床上加工好外圆锥面后再按照图纸将六个细长槽全部切断,形成可收缩的夹爪。在使用中工件安放准确,不需花时间找正;气动控制夹爪对工件的夹紧快速,稳固,生产效率明显提高,工人的劳动强度明显降低,使用效果令人满意。
参考文献:
[1]《金属机械加工工艺人员手册》增订组编.金属机械加工工艺人员手册[M].上海科学技术出版社,1997年1月.
[2]王光斗,王春福主编.机床夹具设计手册.上海科学技术出版社,2000.h
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