数控加工机械零件专用夹具设计浅究

数控加工机械零件专用夹具设计浅究
数控加工与传统加工工艺规程上具有高度的相似性，其加工原理相同，二者区别在于加工过程。

数控加工工艺以自动生成数码表示程序输入到数控程序中，用以数字化、自动化控制刀具与工件的相对运用，具有较高的智能化水平。

数控加工工艺具有自动化程度高、加工精度高、能加工复杂型面、零件一致性好、生产效率高等优点，但同时其生产成本高、维修存在局限性，而且加工中难以调整，这就需要借助数控专用夹具的辅助作用来提升加工工艺水平。

1 锁芯零件加工工艺设计概述
1.1 工艺规程设计
锁芯零件数控加工工艺过程由若干个工序组成，而每个工序则又可分为若干个安装、工位、工步及工作形成，其中工序是工艺过程的基本单元。

工艺规程设计与制定的原始材料包括锁芯零件装配图及零件图、生产纲领与类型、质量验收标准、毛坯生产水平、现场生产条件等，其中零件的生产纲领计算公式为：。

锁芯零件表面加工方法选择时需要考虑三个方面的问题，即锁芯表面几何特点决定加工方法选择范围、方法的选择取决睛锁芯零件表面技术要求、加工方法的选择需考虑零件材料性质及可加工性。

锁芯零件加工顺序方面，加工阶段分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段、光整加工阶段。

机床选择的依据是零件生产数量，一方面考虑到经济性；另一方面考虑到加工工艺的要求，包括加工尺寸要求、精度要求、切削用量要求等。

夹具选择则依据零件加工数量与质量要求，通常夹具的设计遵循高生产率原则。

切削用量的确定中，切削速度为：。

式中：d表示工件或刀具的最大直径；n表示工件或刀具的转速。

背吃刀量的计算方式为：。

式中：表示工件代加工表面直径；表示工件已加工表面直径。

在零件加工过程中，对于精加工要求的零件，其刀具耐用度最大的影响因素是切削速度，其次依次是进给量和背吃刀量，因此在精加工时需要对切削速度进行合理的选择，其方法通常有计算法与查表法。

1.2 锁芯零件工艺设计
在本文的研究中，数控加工零件选择批量生产的锁芯零件，数量为3000件，另外将该批次零件的备品率为10%，机械加工废品率为2%，这种要求下的数控加工工艺规程如下：
锁芯零件的材料为45号钢，平面粗糙度为3.2，依据生产纲领的计算公式可知生产类型为中批量生产（3360件/年）；锁芯零件总长度为37mm，截面为8mm，四边长为23.5mm，截面为圆形的直径为11mm，长为13.5mm；距圆端面24mm处有通孔，孔径为4mm，圆柱面上方有3mm宽槽；圆柱端有一个直径为5mm、长为17mm的螺纹孔。

锁芯零件的毛坯为直径12mm的标准45号钢棒料，结合锁芯零件精度要求确定各面加工方法：（1）外圆加工采用粗车与精车两道工序；（2）8mm边长平面采用粗铣和精铣两道工序；（3）4mm直径通孔直接用钻床加工；（4）5mm 直径螺纹孔在外圆加工后再用车床加工。

考虑到此批锁芯零件为中批量生产，可选用通用机床，并结合工艺要求设计专用夹具在数控铣床上完成平面铣削工序。

加工工序设计为：（1）12mm直径棒料粗车加工，加工余量为0.2mm；（2）外圆精车精工后直径11mm；（3）切断，总体尺寸37mm，钻直径5mm螺纹孔；（4）专用夹具，4个平面同时粗铣，加工余量为0.2mm；（5）精铣后断面边长8mm；（6）通用夹具加紧铣出3mm宽的槽；（7）钻床钻通孔直径为4mm；（8）攻丝，加工M5螺纹。

2 锁芯加工数控机床专用夹具设计
2.1 机床夹具设计的基本要求
对于本文中的锁芯零件加工工艺要求，机床专用夹具需符合如下基本要求：一是确保锁芯工件的加工精度，需要进行专门的精度分析；二是选择复杂度合适的夹具，缩短辅助实践，提高生产效率；三是专用夹具工艺性好；四是专用夹具使用性好，操作安全便捷；五是经济性好、结构简单、标准化和成本低廉。

2.2 机床夹具设计的一般步骤
第一步，接到专用夹具设计任务书后研究加工工件图与熟悉工艺文件；第二步，结合专用夹具设计任务书要求拟定夹具的结构方案，包括确定夹具类型、确定工件地位方案、确定工件的加紧方式等，加紧方式的确定依据加紧力的计算结果，通常计算公式为：。

式中：表示实际所需加紧力；K表示安全系数；表示静
力平衡算出的理论加紧力，安全系数的取值参考安全系数取值表。

除此之外，还需确定刀具导向方式或对刀装置以及夹具体的结构类型。

夹具体的要求包括：有适当的精度和尺寸稳定性、有足够的轻度和刚度、排屑方便以及在机床上安装稳定可靠。

2.3 夹具总图设计
当锁芯数控加工工艺中的专用夹具结构方案确定之后，接下来开始对夹具进行总体的设计，即绘制专用夹具总图，包括草图与总装图。

在绘制专用夹具总装图时除需遵循机械制图的基本要求之外，还需考虑到专用夹具设计中的习惯与规定：（1）为避免直观错觉，采用1∶1比例设计；（2）锁芯零件用双点画线表示，并做透明处理，使其不影响夹具元件的投影；（3）以操作者面对的视图为主视图，要求视图数量完整清晰地表示出整个结构；（4）工件在夹具中应处于加紧状态；（5）当元件位置可能发生变化或变化范围较大时，需局部双点画线标出极限位置，用于检验设计中的干涉性；（6）将刀具与刀杆双点画线局部表示，用于检测运行时的相互干涉性。

图1 专用夹具三视图
按一般机械零件设计的销与夹具体的配合尺寸及公差确定，需由经验方法来确定。

通常生产工件的批量较大时，需考虑到夹具的使用寿命，此时可选取有关公差较小些的设计方案。

此外，当加工工件的精度要求较低时，可采用相关公差较大的设计方案。

3 锁芯零件夹具设计方案
3.1 零件本工序的加工要求分析
本工序加工：尺寸为8mm的4个平面铣削。

在本工序加工之前，已对工件进行表面粗加工，即直径为11mm的圆柱外圆车削。

3.2 确定夹具类型
本文需加工的锁芯工件尺寸不大，铣削过程中所需切削力较小，因此结合这些加工工艺要求和特征，可采用削孔配合夹具、螺栓加紧方式。

3.3 确定夹具一次加工零件数量
出于数控车床加工经济与效率因素考虑，在数控加工过程中，为达到车床加工时间最大，而且工件装夹和拆卸时间最短，需要确定最合理的夹具一次加工零件数量，这样可以大大提升生产效率。

结合文本锁芯加工的生产情况，设计机床加工时间为：。

式中：T表示机床加工的总时间；m表示加工次数；n表示单次加工零件数量；、、分别表示加工一个零件用时、机床停机时间、装夹具时间，其中m×n=300，m>1，n>1。

确定好各变量之后，建立数学模型，并利用LINGO软件编程求解。

求解结果显示，最佳结果n=113.9，但是最终数据的确定还需考虑到所选数控铣床的实际情况。

本文所选择的数控铣床工作台行程为600mm，夹具总长不超400mm，装夹尺寸为50mm，且需预留20mm间距，因此在这种要求下，单排零件数只能取13，但可采用双排夹具，因此最终n的最佳值为26。

4 专用夹具装夹零件加工及结果分析
在分析并设计锁芯工件数控加工专用夹具之后，需要通过实体加工来验证专用夹具的性能和效果。

由于本文采用的数控加工工艺，需通过基于Master CAM 软件为平台验证应用结果。

在验证锁芯工件数控加工专用夹具的实际应用中，需要进行数控编程。

对实体进行分析，利用ProE NC编程，建立自己的加工模型。

具体步骤为：进入Master CAM Mill v9.1工作界面，设置“构图面”为“F前视图”，然后进行圆柱实体创建，参数的确定则选择上文设计中工件及夹具的具体数值。

圆柱实体创建完成之后设定作图深度Z为“-13.5”，矩形的宽、高均为8，点位置在中心。

接下来进行锁芯零件实体4个平面创建、3mm槽创建、5mm直径盲孔创建以及4mm直径通孔创建。

锁芯零件实体创建完成之后，进行刀具路径设计。

刀具设计的步骤为：（1）在工作平台界面点击“绘图→矩形→一点”，宽、高均选择8，选择坐标原点为圆心；（2）在主功能表中选择“刀具路径→外形铣削”，串联图素选择矩形；（3）刀具参数中选择“建立新刀具”；（4）“定义刀具”参数中，选择“平刀”，具体参数选择为刀长35、肩部30、刀刃25、直径12；此外“进给率”500、下刀速率300、提刀速率3000、主轴转速2000，其他参数默认；（5）刀具参数确定之后进行外形铣削参数设定，具体为：安全高度30，深度-23.5，进给下刀位置2，XY方向与流量0.3，Z方向预留量0.1，其他参数默认；XY平面粗铣与精铣次数为1，
执行精修的实际选择最后深度，且不提刀；（6）Z轴分层铣深中精修次数为0，且不提刀，最大粗切深度为15，分层铣深顺序为依照轮廓。

锁芯工件实体模型与夹具模型构建完成之后进行专用夹具装夹零件实体切削的应用验证。

实验加工结果显示，数控机床正常运转期间，加工一个锁芯所用的平均时间为2分钟，而停机等待时间也为2分钟，那么按照前文设计的双排夹具26个零件为基本单位时，加工时间的结果对比表现为：单件加工26个锁芯所用的总时间为154分钟，其中单就零件加工用时为52分钟，与采用专用夹具的加工方式相比无优化表现，但是采用双排26个零件的专用夹具加工时，停机时间则仅用10分钟，而单个加工则需要104分钟，说明采用专用夹具时停机时间优化率高达90.38%。

而且从总时间来看，单个加工与采用专用夹具加工的时间对比为154∶62，时间优化率为59.74%，这说明采用专用夹具加工时，生产效率大大提升。

参考文献
[1] 陈饰勇.数控铣床加工滑杆的专用夹具设计[J].机床与液压，2015，（8）.。