一種加工中心用高精度角度調節(jié)組合夾具的結構設計與誤差分析

徐亮

（安徽機電職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241000）

一種加工中心用高精度角度調節(jié)組合夾具的結構設計與誤差分析

徐亮

（安徽機電職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241000）

為了達到反射罩45°拋物面在數(shù)控機床加工中的精度要求，本文設計出滿足其加工要求的雙V形塊加雙削邊軸的柔性角度調節(jié)組合夾具，同時采用極限位置法分析了該套組合夾具的定位誤差、轉角誤差的計算公式以及轉角誤差的變化范圍，并指出產生定位誤差的原因.

高精度；角度調節(jié)組合夾具；結構設計；定位誤差；轉角誤差

隨著現(xiàn)代科學技術的進步和生產力的高速發(fā)展，機電產品種類日新月異，促使機械工業(yè)制造加工形式發(fā)生了明顯的變化，在現(xiàn)代機械制造業(yè)中，要求機械加工機床和機床夾具裝備要有廣泛的適應性，近幾年，數(shù)控機床和柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正滿足了多品種中小批量生產方式的需要，在這種生產方式中，組合夾具、可調夾具以及具有各種組合式和可調特性的柔性夾具系統(tǒng)得到了廣泛的應用；組合夾具［1，2］是由預先制造好的，具有不同功能、不同形狀和不同規(guī)格尺寸的元件與組合件，根據(jù)被加工零件的不同要求組裝而成的不同用途、不同形式的夾具.它是在夾具的零部件標準化、系列化和規(guī)格化的基礎上發(fā)展起來的新型夾具.

本文分析了角度調節(jié)組合夾具設計中，鉸鏈結構與雙V形塊加雙削邊軸結構的區(qū)別以及產生定位誤差的原因，最后利用極限法推出了定位誤差與轉角誤差的理論計算公式以及轉角誤差的范圍值.

1 組合夾具結構設計

組合夾具的功用是根據(jù)零件的加工工藝需要，在一定的機床加工設備條件下，按照六點定位原理［3］對所要加工的零件進行定位和夾緊，限制其必要的自由度及保證定位的可靠性.圖1所示為鉸鏈結構的角度調節(jié)組合夾具，由于存在間隙，鉸鏈在轉動時，轉動中心會隨著轉角的變化而發(fā)生漂移，影響了轉動和運動精度，從而也會降低本套組合夾具的精度，最終使得工件加工精度下降而無法滿足圖紙要求.

圖1 鉸鏈組合夾具圖

圖2 反射罩零件剖視圖

圖2所示為反射罩零件剖面圖，為了滿足其45°拋物面在加工中心中的加工精度要求，零件在加工完外錐面后應調整定位到精確的角度.本文專門研究設計了一套角度調節(jié)加工中心用組合夾具，如圖3（a）所示，用V形塊加削邊軸結構代替了原有的鉸鏈結構，同時該V形塊限位基準構成了夾具角度調節(jié)的回轉中心，該處V型塊側面設置有定位擋塊，便于上支撐板連同削邊軸快速軸向準確定位.角度支撐定位體亦為V形塊加削邊軸結構，并通過調整量塊高度達到調整角度的目的（圖4），從而構成雙V形塊加雙削邊軸的多角度調節(jié)柔性組合夾具.使用V形塊進行定位時，它的對中性好，可以實現(xiàn)對外圓表面的定心、對中和定位，使工件的定位基準軸線保持在V形塊兩斜面的對稱平面上，而且不受工件直徑誤差的影響，安裝方便.它既適用于完整外圓，也適用于非完整外圓及局部曲線柱面定位，還能與其他定位元件組合使用.圖3（b）和3（c）所示分別為該套組合夾具中削邊軸和角度支撐板的示意圖，三個削邊軸分別與三個V形塊接觸定位并呈品字狀分布，在夾具制作時，三個V形塊和三個削邊軸可以分別同件制造并編號，同時V形支承塊和削邊軸長度相等，便于上支撐板連同削邊軸軸向擋塊定位和夾緊.該結構和工藝大幅提高了組合夾具的定位精度，減少了轉動誤差，配合角鐵其最大旋轉角度可達90°，使其適應的角度更為廣泛，此結構組成的柔性組合夾具更適用于反射罩零件45°拋物面的銑削加工.

圖3 雙V形塊+雙削邊軸組合夾具圖

式中為各量塊的高度.

圖4 簡化后的組合夾具結構及轉角誤差示意圖

2 組合夾具的誤差分析

2.1 組合夾具定位誤差產生的原因

工件安裝誤差是指工件在組合夾具中定位和夾緊時產生的誤差，包括定位誤差和夾緊誤差.定位誤差是指工件在組合夾具中定位時工件的工序基準在加工尺寸方向上可能產生的最大變動量.一般在選擇定位基準前需對夾具的定位誤差進行分析，以便考慮如何選擇.若按產生原因分類，定位誤差分為：基準位移誤差（零件定位基準相對夾具定位元件理想限位基準不一致引起的誤差）和基準不重合誤差（它是指定位基準與工序基準不重合所引起的誤差），由于在加工制造中經常用調整法加工生成零件，所以大多情況下都存在這種誤差.

2.2 V形塊定位誤差的計算

在以工件外圓定位的定位元件中，V形塊的使用較為廣泛，其誤差主要來源于工件的尺寸和形狀誤差、V形塊的制造和安裝誤差（夾角誤差、對稱度誤差等），這些因素共同作用產生了工件的定位誤差，同時它并不是單一的加減法運算，而是各矢量的疊加，因為上述誤差都存在一定的方向性.如圖5所示，若不考慮V形塊的制造誤差，則定位基準在V形塊對稱平面上，它在水平方向上的位移為零，但在垂直方向上，因工件外圓柱面直徑有制造誤差，由此就會基準位移產生定位誤差［4］.

圖5 V形塊以外圓定位的示意圖

如圖5所示，采用圓柱設計的尺寸為D0Δd（基孔制），對于該夾具的定位誤差的計算，若采用通常運用的合成法過于復雜，為了可以簡化計算，本文采用極限法［5］進行分析計算；工件的外圓中心為定位基準，此時基準不重合誤差為0；圖5中的兩個尺寸大小不同的圓分別為該工件在定位約束下的2個極限狀態(tài)，這2個極限狀態(tài)下所得的工序尺寸的差值就是由定位因素造成的工序尺寸基準的變動量，也就是我們常說的定位誤差，即：

也就是指在特殊情況下，當d=dmax時，工序基準為最高點；當d=dmin時，工序基準為最低點；此時，二者之差即為該工序的定位誤差.

2.3 雙V形塊+雙削邊軸組合夾具轉角誤差的計算

由V形塊的定位誤差分析可知，雙V形塊+雙削邊軸組合夾具角度的變化有兩種極限：第一種極限位置為當?shù)锥说腣形塊圓柱直徑為最小值Dmin，上端V形塊圓柱直徑為最大值Dmax時；第二種極限位置為當?shù)锥说腣形塊圓柱直徑為最大值Dmax，上端V形塊直徑為最小值Dmin時，如圖4（b）所示.以上兩種極限位置可以近似分析計算.

圖6 兩個極限狀態(tài)下，組合夾具轉角誤差示意圖

如圖6（a）所示，角度β1為向上偏置的最大角度，根據(jù)三角函數(shù)關系式，則有：

當A=45°時，H=La，那么得出β1近似為：

其中La=L×cosA

如圖6（b）所示，角度β2為向下偏置的最大角度，根據(jù)三角函數(shù)關系式，則：

當A=45°時，H=La，那么得出β2近似為：

綜上可述，當角度A為45°時，整個V形塊組合夾具轉角的誤差范圍約為：

若夾具角度為任意角度A時，由數(shù)學三角函數(shù)關系式可得：

3 結論

本文通過對反射罩零件45°拋物面在加工中心上定位加工的分析和研究，獲得了以下結論：

（1）研究設計出一套數(shù)控銑床和加工中心用高精度角度調節(jié)柔性組合夾具，即為雙V形塊加雙削邊軸角度調節(jié)組合夾具；分析了鉸鏈結構與雙V形塊加雙削邊軸結構的區(qū)別和應用特點.

（2）本套組合夾具通過雙V形塊加雙削邊軸的設計，充分利用V形塊和削邊軸的中心對稱性、良好的工藝性，以及組合靈活的特點，極大地提高了夾具的精度和柔性，其最大旋轉角度可達90°；通過支撐板和過渡盤上的圓周分度孔，結合雙定位插銷的應用，可以起到空間角度萬能分度作用.

（3）分析了在銑削加工反射罩零件45°拋物面時產生定位誤差的原因，并通過極限法分析得出組合夾具在兩個極限位置下的定位誤差和轉角誤差的變化范圍以及計算公式.

〔1〕宋傳玉.工件在組合夾具中的定位誤差分析［J］.石油機械，2005，33（1）：34-35.

〔2〕董海東，王曉芳，等.V形塊定位誤差的分析與計算［J］.中國工程機械學報，2007，5（4）：440-446.

〔3〕徐志剛，徐惠芳，劉宇齊.創(chuàng)新式組合夾具結構設計自動化［J］.工程圖學學報，2001（1）：55-60.

〔4〕李慶壽.機床夾具設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1983.34.

〔5〕高如松.一種活動V形塊定位誤差的簡便算法［J］.機床與液壓，2000（6）：98-100.

TG75

A

1673-260X（2015）05-0045-03

安徽省高校省級質量工程項目資助（2012gxk168）；安徽省高校省級質量工程項目資助（2012zy118）