操縱器蓋液壓自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

陳超山 蔣 波 賴(lài)玉活 李 健 李 新 張曉東

(①?gòu)V西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006;②柳州市數(shù)控機(jī)床研究所，廣西 柳州 545007)

汽車(chē)變速箱操縱器蓋是典型的外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則、機(jī)加工部位多、形位公差要求較高的鋁合金薄壁殼類(lèi)零件，原有的加工方法主要是通過(guò)人工劃線找正、手動(dòng)裝夾對(duì)毛坯進(jìn)行鉆孔和銑削等加工，加工時(shí)需要多次裝夾換刀。由于該工件工藝上要求側(cè)面具有1.5°拔模斜面，裝夾容易浮動(dòng)，技術(shù)上的基準(zhǔn)孔、工藝孔的同軸度和精基準(zhǔn)面的平面度難以保證。為了減小加工時(shí)人工裝夾引起的誤差，縮短生產(chǎn)周期，提高工件的加工精度，設(shè)計(jì)一種操縱器蓋專(zhuān)用液壓自動(dòng)夾具很有必要。

1 零件分析

操縱器蓋采用金屬壓鑄成型法制造毛坯，材料為YL113(YZA1Si11Cu3)，硬度約為125HBS。如圖1 所示，從外形看是一種薄壁殼類(lèi)工件，長(zhǎng)寬高約為110 mm×85 mm×20 mm。其加工部位呈空間分布，主要為精基準(zhǔn)面的銑削，支撐孔的精鏜，工藝孔和基準(zhǔn)孔的鉆孔等。根據(jù)工序集中原則，工藝要求以支撐面為粗基準(zhǔn)進(jìn)行定位，支撐面應(yīng)光滑平整、不得有凸起不平現(xiàn)象［1］。其主要加工工序?yàn)?鑄造→人工時(shí)效→粗鏜支撐孔→銑精基準(zhǔn)面→鉆基準(zhǔn)孔→精鏜支撐孔→鉆工藝孔。可以看出操縱器蓋的加工不僅工作量較大，且各道工序加工的質(zhì)量會(huì)直接影響后續(xù)工序的工時(shí)耗用量與加工精度。由于操縱器蓋側(cè)面是角度為1.5°的拔模斜面，工件裝夾時(shí)夾緊力不易控制。因此準(zhǔn)確有效地對(duì)其斜面進(jìn)行定位夾緊是本工裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 夾具結(jié)構(gòu)

根據(jù)操縱器蓋尺寸小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)多工位夾具，在底板上安排4 個(gè)裝夾位，使得一次裝夾，完成4個(gè)工件的加工，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和工件加工工藝的一致性［2］。

如圖2 所示，該液壓夾具由安排在底座11 上的油缸部分和夾具部分組成，底座11 通過(guò)T 型螺栓固定在機(jī)床托板上。其中左定位座2、右定位座12、前定位座8、后定位座5、支撐座13 分別通過(guò)內(nèi)六角螺釘安裝在底座上，左滑塊3 通過(guò)鎖緊螺釘4 安裝在左定位座2右側(cè)，前定位座8 和支撐座13 之間裝有彈簧銷(xiāo)7，拉桿9 一端與右滑塊14 連接，另一端與油缸10 配合，右滑塊14 通過(guò)其燕尾槽結(jié)構(gòu)安裝在右定位座上［3］。

2.2 夾具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定

采用相應(yīng)的斜面與拔模斜面配合定位，增大接觸面積［4］，定位可靠，液壓進(jìn)行裝夾，工件的形位公差由夾具保證，不受操作人員的技術(shù)水平影響，加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

(2)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度

傳統(tǒng)生產(chǎn)工序中，該工件的夾緊與翻面加工都是工人手工操作的，耗時(shí)費(fèi)力，效率低。本設(shè)計(jì)夾具體為整體結(jié)構(gòu)，調(diào)整方便，夾緊快速穩(wěn)定，顯然比手動(dòng)工裝夾具安全可靠、方便省力［5］。

(3)成本低，使用性能好

該夾具材料主要使用HT200，價(jià)格低廉，右滑塊底部采用燕尾導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，調(diào)整簡(jiǎn)單，其與右定位座是滑動(dòng)面接觸，穩(wěn)定可靠，導(dǎo)向性好，抗振性強(qiáng)［6］。

(4)縮短裝夾時(shí)間，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)

本工裝夾具無(wú)需手工劃線找正，減少了輔助加工時(shí)間;液壓夾緊提高了工件的剛性，能采用較大的進(jìn)給量;多工位夾具裝夾工件，一次裝夾可實(shí)現(xiàn)4 件同時(shí)加工，操作簡(jiǎn)單方便，生產(chǎn)效率明顯提高。

2.3 夾具的工作原理

液壓缸啟動(dòng)前，將4 個(gè)工件分別置于夾具體的支撐座上，使其支撐面處于平穩(wěn)的位置，此時(shí)夾具左滑塊的拔模斜面正好與工件的左側(cè)面配合，彈簧銷(xiāo)與后定位座限制了工件的移動(dòng)，液壓缸啟動(dòng)后，油缸給拉桿施壓，拉桿推動(dòng)右滑塊左移，從而其拔模斜面與工件的右側(cè)面配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的壓緊。

2.4 工件夾緊

(1)切削力計(jì)算

由于工件對(duì)表面粗糙度要求較高，為確保銑削平穩(wěn)，銑削力的垂直分力應(yīng)向下，將工件壓向工作臺(tái)，故采用順銑方式進(jìn)行端面銑削加工［6］。銑削時(shí)，銑刀對(duì)工件產(chǎn)生的力主要為切削力、切削扭矩、慣性力、徑向力等，由于銑刀產(chǎn)生的扭矩、慣性力和徑向力相對(duì)較小，可由工件與夾具產(chǎn)生的摩擦扭矩及支撐座的支撐反力來(lái)平衡［7］，故只需考慮銑刀產(chǎn)生的切削力即可保證工件夾緊。

本設(shè)計(jì)中工件材料為YL113，壁厚8 mm，屈服強(qiáng)度δb≥230 MPa，采用硬質(zhì)合金刀具，鋁合金端銑時(shí)銑削力的計(jì)算公式為［8］:

通過(guò)分析查表，式中:t 為銑削深度，取3 mm;SZ為每齒進(jìn)給量，取0.2 mm;D 為銑刀直徑，取125 mm;Z 為銑刀齒數(shù)，取6;B 為銑刀寬度，取75 mm。得:

P=50×31.0×0.20.74×125-1.0×750.90×6≈1045 N

(2)夾緊力計(jì)算

操作器蓋是一種尺寸較小的鋁合金薄壁殼類(lèi)工件，夾緊時(shí)其質(zhì)量相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)工件以?xún)砂文Ｐ泵娑ㄎ唬瑐?cè)向夾緊，銑加工時(shí)切削力可分解為X 方向和Y 方向兩個(gè)分力，夾緊力的計(jì)算公式［9］為:

式中:K 為安全系數(shù);K0為基本安全系數(shù)，取1.2;K1為刀具鈍化系數(shù)，取1.3;K2為支撐面接觸情況系數(shù)，取1.2。

X 方向的切削力:P1=cos10°×1045

Y 方向的切削力:P2=sin10°×1045

定位面寬度L 取64 mm;b 取4.3 mm;夾緊點(diǎn)高度a 取0;夾緊面長(zhǎng)度C 取9 mm。μ 為工件與夾緊元件間的摩擦系數(shù)，取0.25，代入數(shù)據(jù)得:

3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)缸徑選擇

根據(jù)所需夾緊力選擇液壓缸直徑D，液壓缸活塞桿受壓時(shí):

式中:WK=1840 N，d=0.4D，行程50 mm，ηW為液壓缸的機(jī)械效率，取0.9，初算時(shí)Pp由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取為3 MPa。

代入數(shù)據(jù)得D=32 mm 通過(guò)查表圓整:液壓缸內(nèi)徑取φ40 mm.活塞桿直徑為φ16 mm。

(2)缸流量計(jì)算

工作時(shí)液壓缸所需流量Q=Aν［9］

式中:A 為液壓缸有效作用面積;ν 為活塞與缸體的相對(duì)速度，初定為0.02 m/s。

代入數(shù)據(jù)，Q=2.1×10-5m2/s

(3)液壓泵的選擇

由工況可知，液壓泵輸出流量:

QP≥K∑Qmax

式中:K 為系統(tǒng)泄露系數(shù)，取1.3;∑Qmax為同時(shí)工作的液壓缸及液壓馬達(dá)的最大總流量，由缸流量查表得2.1×10-5m2/s，由于工作中需要用節(jié)流閥調(diào)速，在計(jì)算液壓泵流量時(shí)還需加上最小的溢流量，一般取0.5×10-4m3/s。則

本設(shè)計(jì)工作循環(huán)過(guò)程中，液壓泵的壓力和流量比較恒定，則泵的功率［9］為:

式中:Pp為液壓泵的最大工作壓力;Qp為液壓泵的流量;η 為液壓泵的總效率，查表得0.7。

查表取泵的功率為1.5 kW。

(4)液壓回路設(shè)計(jì)

圖3 為該液壓回路系統(tǒng)圖，當(dāng)工件置于夾具體上完成初定位后，閉合開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量泵6 工作，液壓油從油箱3 經(jīng)過(guò)吸油過(guò)濾器2 進(jìn)入回路，電磁換向閥10 通電，壓力油進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞桿完成對(duì)工件的夾緊，當(dāng)壓力表9 達(dá)到所需壓力值時(shí)，工件實(shí)現(xiàn)夾緊;工件加工完畢后，電磁換向閥10 斷電，液壓油經(jīng)換向閥返回有桿腔，活塞桿回收，夾緊力消失，完成卸載。

液壓回路系統(tǒng)中，進(jìn)油速度與夾緊速度密切相關(guān)，通過(guò)串聯(lián)節(jié)流閥7 控制流速，實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作的控制［10］;分流集流閥12 是使4 個(gè)工件實(shí)現(xiàn)同步夾緊，確保工件定位可靠，加工精度一致;串聯(lián)液控單向閥11 使工件定位完成后實(shí)現(xiàn)自鎖，保證工件處于穩(wěn)定的加工位置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)工件的工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種操縱器蓋專(zhuān)用液壓自動(dòng)夾具:在對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，算出了該工件銑加工時(shí)所需要的切削力和夾緊力，設(shè)計(jì)了一套與其相配套的液壓系統(tǒng)，并對(duì)其所需重要元件進(jìn)行了選型。目前該液壓自動(dòng)夾具已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，在滿足生產(chǎn)需要的前提下大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了輔助加工時(shí)間，取得較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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