一種新型管類零件加工的自動夾具的探究

葉 周

（江蘇省昆山花橋國際商務城中等專業學校）

一、創新背景

2006年江蘇省舉辦了首屆江蘇省職業教育創新大賽，主題是創新重在實踐，旨在培養廣大院校學生的創新意識、創新思維、創新能力，形成一批創新成果。作品圍繞生活的技術、身邊的技術、生產的技術，由學生本人獨立（合作）構思、設計、制作完成，或在老師指導下完成。科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂。創新是人類自身存在與發展的客觀要求，是人類社會文明與進步的標志，是人類與自然交互作用的必然結果。

二、創新過程——組合式管類零件支架夾具

蘇霍姆林斯基認為，在學生的精神世界里，希望自己是一個發現者、研究者和探索者的愿望更為強烈。在教學中，教師要放開手讓學生在有限的時間和空間里多看、多動、多思、多說，使學生成為探索者，在實際生活中讓學生主動去觀察、去思考，然后提出問題。

1.發現問題

機械制造業正朝著“無切削或少切削”方向發展，如采用板材進行沖壓、滾壓、焊接等工藝，可以節省鋼材、動力、機床設備和加工工時，達到質量好、產量高和成本低的目的。但是，畢竟有一些薄壁零件的結構不能采用沖壓、滾壓、焊接等工藝來代替，如形狀復雜的環形橫截面零件，只能采用車削方法。加工時主要存在以下問題：

（1）車削薄壁管類零件的主要問題是變形，而產生變形的主要原因是切削力和夾緊力。薄壁管類零件剛性低，在夾緊力和切削力作用下非常容易產生變形，導致吃刀深度不均和讓刀現象。

（2）因其結構單薄，零件尺寸較大，環形截面復雜和材料切削性較差（如高溫合金、鋁合金等），因此難以保證一定的加工精度和提高勞動生產率。

（3）薄壁管類零件金屬體積小，總的熱容量小，使加工后的零件出現形狀和尺寸誤差。改善或改變夾緊力對零件的作用是減少切削力、切削熱的一個主要方法。

學生提出了目前市場上常用的管類零件支架夾具存在著需要用兩個油缸驅動夾緊、效率低下、安全性不高以及成本高的問題，因此想設計出一種新型夾具，需要解決這三大問題：（1）提高管類零件的加工生產效率；（2）可與機械加工流水線配套，調節快速、方便、安全；（3）可適用于不同尺寸管件的加工等優點。

2.提出假設

假設（1）：使用一個氣缸來驅動夾緊和松開，這樣節約成本可以嗎？

假設（2）：使用兩個三爪自定心氣動卡盤，在卡盤里安裝軸向定位裝置可行嗎？

假設（3）：使用一個氣缸作驅動，帶動曲柄滑塊機構，在滑塊上面鋪設導軌可以嗎？

3.設計實驗方案，反復實驗得出結果

假設（1）：方案：使用一個氣缸來驅動，通過設計原理圖，反復實驗。

實驗結果：成本的確降低，但夾緊力不均勻，工件局部容易變形，而且工件尺寸不好調節，加工時軸向定位困難。

假設（2）：方案：采用兩個雙三爪自定心氣動卡盤，在卡盤里安裝軸向定位裝置，實現了卡盤的自動夾緊與松開。

實驗結果：該夾具需要人依次把加工好的工件拿走，再去安裝下一個工件。浪費時間，效率低下，而且不安全，而且采用兩個氣動卡盤，成本較高，該方案不合理。

假設（3）：方案：使用一個氣缸作驅動，氣缸上裝有連接塊，連接塊凹槽內裝有曲柄，主軸上裝有對稱的連桿座，連桿另一端與滑塊成動連接，滑塊安裝在滑塊座內，滑塊端裝有管件夾頭，在兩滑塊上方各有一向前傾斜的管件存放架，在兩滑塊管件夾頭前方中間裝有固定管件夾頭。

實驗結果：（1）從成本考慮，改善前需要用到兩個油缸、一個油壓電磁閥以及整套油壓系統，預計成本費用約15000 元，改善后直接用氣缸帶動鉸鏈轉動來實現動作，只需要一個氣缸、一個氣壓電磁閥、一套三點組合，預計成本費用約3000 元。（2）從操作性考慮：改善后人工一次性將多根管件整齊放在入料軌道上，雙手啟動按鈕，機臺可直接按順序夾緊、放松。從操作性考慮，改善后的人工可節省很多時間，大大降低了人工的勞動強度。（3）從安全系數考慮：改善后只有在放料件前接觸機臺，一旦啟動后人工只要在下游接加工過的管件即可。該方案合理。

三、新型管類零件加工的自動夾具偏置曲柄滑塊機構設計過程

1.最小傳動角γmin 與極位夾角θ 之間的關系

通過數學建模，得到最小傳動角γmin與極位夾角θ 大小有關，與滑塊的行程無關，極位夾角θ 越小，最小傳動角γmin就越大，而最小傳動角越大，就越有利于傳動。一定的情況下，應該選用較小的極位夾角，讓γmin大些。

2.確定偏置曲柄滑塊機構的尺寸

已知滑塊的行程速比系數K=1.20，滑塊行程H=100 mm，使所設計的偏置曲柄滑塊機構最小傳動角取得最大值。根據K=1.20，由查表得到θ=16.36°，（γmin）max=47. 21°，β3=13.18°。

四、作品運用原理

1.氣壓傳動

雙活塞桿雙作用氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。缸體固定時，其所帶載荷（如工作臺）與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進入氣缸兩腔（一腔進氣，另一腔排氣），活塞桿帶動工作臺左右運動，安裝所占空間大，一般用于小型設備上。

2.偏置曲柄滑塊機構

氣缸工作時，活塞桿定時地上下運動，推動著軸進行轉動，裝在軸上的曲柄實現轉動，從而連桿帶動著活動夾模（滑塊）往復運動，實現了工件的依次定時夾緊與松開。

3.公差測量與互換性知識

該夾具原理簡單，成本低，但該夾具由很多零件組成，在設計零件尺寸時，要考慮零件的配合制度，有的尺寸要符合過盈配合，讓夾具在工作時具有較好的穩定性；有的尺寸要符合間隙配合，方便更換不同類型的夾模和調節管內零件的尺寸。

五、作品簡介

其特征在于氣缸上裝有連接塊，連接塊凹槽內裝有曲柄，主軸上裝有對稱的連桿座，連桿另一端與滑塊成動連接，滑塊安裝在滑塊座內，滑塊端裝有管件夾頭，在兩滑塊上方各有一向前傾斜的管件存放架，在兩滑塊管件夾頭前方中間裝有固定管件夾頭。本實用新型解決了目前管類零件加工夾具之不足。

作品主要優點：（1）價廉，自動化程度高；（2）可與機械加工流水線配套，調節快速、方便、安全；（3）可適用于不同尺寸管件的加工。

［1]孫恒.機械原理［M].北京：高等教育出版社，2001.

［2]韓仕龍.創新點金石［M].南京：江蘇科學技術出版社，2013-11.

［3]中國機械工業教育協會.機械設計基礎［M].北京:機械工業出版社，2005.