柔性夾具在多工序精密零件加工中的應用

溫上樵

(南京信息職業(yè)技術學院，江蘇南京210023)

在多工序精密零件的加工中，一種設備是不可能完全承擔全部的加工任務，因此，就需要其他設備共同來完成。但多次裝夾產(chǎn)生的重復定位誤差，對精密零件的形位誤差影響很大，有時，甚至重復定位誤差大會導致工件無法加工。而一些中小企業(yè)沒有資金對現(xiàn)有機床進行更新，令產(chǎn)品質(zhì)量無法提升。

涉及多工序的精密零件加工，零件需要在多臺設備中流轉(zhuǎn)。在此過程中，由于二次裝夾引起的重復定位誤差一直伴隨著加工的全過程。此外，對于一些加工中心而言，為了保證能在一次裝夾中完成大部分工序，從粗加工到精加工都在一臺機床中完成，使得機床的利用效率降低。雖然使用加工中心，可以部分解決二次裝夾帶來的重復定位誤差，但依然不能解決需要特種加工的零件二次裝夾產(chǎn)生的定位誤差。

1 加工精度分析

重復定位誤差一直影響著工件的形位公差，使得加工具有較高形位公差精度的零件長期以來都是一個困擾著工程技術人員的難題。重復定位誤差來源于以下兩個方面:

(1)工件在不同機床之間流轉(zhuǎn)時的安裝誤差

工件在從普通機床轉(zhuǎn)入數(shù)控機床中加工時，需要重新安裝，這樣工件的重復定位誤差不可避免。如果，工件還需要進行電加工等特種加工，這樣重復定位誤差又會出現(xiàn)。

(2)工件在同一臺機床上多次裝夾的誤差

用普通機床加工零件，如果需要2 次以上的安裝，必然產(chǎn)生重復定位誤差。如銑削一個方箱4 個相互垂直的表面，需要4 次安裝，這樣的重復定位誤差將是多次安裝誤差的和。

2 方案設計

柔性夾具是一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是安裝在各機床上的標準接口夾具，與其他預先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件相結(jié)合，加工中，標準元件隨工件一起流動。工藝系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。在加工過程中，可以隨時對工件進行在線檢測，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制。因此，柔性夾具的應用非常重要，尤其適合于多品種、中小批量的生產(chǎn)。

圖1 工藝系統(tǒng)的結(jié)構

(1)夾具接口的標準化

在相關的設備中加裝具有標準接口的柔性卡盤，如圖2所示。該卡盤可以兼容國內(nèi)、外大多數(shù)品牌的柔性夾具，如EROWA 和3R 等。

圖2 加裝了柔性夾具的設備

(2)工件安裝的標準化

根據(jù)工件的大小和加工的需要，工件可以采用螺釘固定在托板或電極夾持塊上，也可以直接用精密虎鉗裝夾。在托板、電極夾持塊和精密虎鉗的背面，均安裝拉釘用于同柔性卡盤聯(lián)接，如圖3所示。

3 工藝系統(tǒng)分析

(1)分步加工，使機床盡其所能完成工作

根據(jù)機床的加工能力，安排合適的工序。用數(shù)控機床加工零件，從粗加工一直到精加工，這樣十分方便，加工過程中不用人去操作。但是，這樣的加工工藝，會大幅度增加加工成本。粗加工盡量由普通設備來完成，半精加工可以由經(jīng)濟型數(shù)控設備來完成，精加工和精密加工可以由高精度數(shù)控設備來完成。常用設備加工工時費見表1。

表1 加工工時費 元/h

根據(jù)設備條件，進行生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃。如果每種設備有2 臺以上，則可以建設成為混合式機床系統(tǒng)，如圖5所示;如果每種設備的臺數(shù)有限，則建設成為配備互補式機床系統(tǒng)，如圖6所示。

圖5 混合式機床系統(tǒng)

圖6 互補式機床系統(tǒng)

(3)工件檢測的過程化

在加工的過程中，工件的檢測十分重要。三坐標測量機是常用的檢測設備，為了能實現(xiàn)工件在加工過程中的多次檢測，利用三坐標測工作臺上預留的螺孔，安裝柔性卡盤，如圖4所示。

此外，工件在安裝過程中的調(diào)整工作，也可以放在三坐標測量機上進行，這樣可以有效減少輔助工時。

圖4 三坐標測量機加裝柔性卡盤

(2)利用柔性工裝，保證工件二次裝夾的誤差

在加工所需要使用的設備中，安裝統(tǒng)一的柔性夾具接口，工件通過托盤，在不同的設備中進行流轉(zhuǎn)，托盤上設有拉釘，可以同柔性夾具接進行聯(lián)接。

(3)基準統(tǒng)一，減少安裝

定位基準統(tǒng)一是柔性制造的理論依據(jù)。以一個階梯軸的加工為例，粗加工在普通車床上完成，半精加工在數(shù)控車床上完成，精加工在磨床上完成。所有的加工工序均以兩端頂尖孔為定位基準，二次裝夾時，不會產(chǎn)生重復定位誤差，這樣的加工已具備柔性加工的雛形。

3 種不同的加工工藝，用普通設備加工的費用最低，但對工人的技術要求比較高，加工質(zhì)量不容易保證，加工精度不如用數(shù)控設備加工和柔性夾具輔助加工。用柔性夾具輔助加工與用數(shù)控設備加工相比，加工質(zhì)量穩(wěn)定，精度相同，加工工時減少，而加工費用大幅降低。加工情況對比見表2。

表2 加工對比表

4 結(jié)論

在整個精密零件生產(chǎn)過程中，利用標準化夾具以及機床與工件之間聯(lián)系的標準化接口，為多工序精密零件的加工帶來以下優(yōu)勢:

(1)有效降低設備資金的投入，保證加工質(zhì)量，縮短了加工周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本;

(2)有利于工件在各機床中流轉(zhuǎn)，且加工精度不受到二次裝夾的影響，重復定位誤差可達0.002 mm;

(3)機床設備的使用可以根據(jù)加工階段合理選擇，使得加工不過分依賴高精度設備;

(4)加工前的機外預調(diào)和測量，將輔助工時與機動工時重合，不占用機床的生產(chǎn)時間;

(5)加工過程中的測量有效地解決了機床的系統(tǒng)補償，可以確保工件的加工精度;

(6)測量數(shù)據(jù)可建立工作數(shù)據(jù)庫，隨時調(diào)用，使得單件、小批生產(chǎn)向柔性自動化方向發(fā)展。

［1］趙東福.自動化制造系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］張根保.自動化制造系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［3］吳啟迪.柔性制造自動化的原理與實踐［M］.北京:清華大學出版社，1997.

［4］何健廉.柔性裝配系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［M］.北京:清華大學出版社，2000.

［5］劉延林.柔性制造自動化概論［M］.南京:華東科技大學出版社，2003.

［6］徐社.柔性制造系統(tǒng)原理與實踐［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［7］SMT 柔性定位夾具系統(tǒng)［EB/OL］.http://www.smt-tooling.com/fixture.asp，2005.