磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具設計和分析

劉薇娜，陳莎莎，楊立峰

LIU Wei-na, CHEN Sha-sha, YANG Li-feng

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

0 引言

磨粒流機床是使用聚合物載體和磨料組成的具有流動性的粘彈性材料對工件進行拋光、去毛刺和倒圓角等加工的機床。磨粒流機床主要包括兩個垂直或者水平相對的磨料缸。磨料缸經液壓夾緊，將工件和夾具固定在當中，磨料通過工件從一個磨料缸進入另一個磨料缸，往復運行，完成加工。磨粒流機床夾具使工件位于適當位置并且引導磨粒流到待加工表面進行磨削加工，并且夾具需要與工件形成較小的空間通道來使磨料在狹小通道中進行有效的加工。但是在磨粒流拋光機床上對工件進行拋光時，往往需要針對被拋光零件的形狀尺寸，設計出一套專用夾具；當零件形狀尺寸變化時，對應的夾具就不再適用，需要重新設計夾具，成本昂貴，設計、制造周期長。當被拋光零件種類多時，所需夾具數量眾多，致使夾具設計、制造工作量增大，造成人力、物力、資源的巨大浪費，經濟性差。

針對磨粒流機床夾具存在的局限性，通用性差的問題，結合常用磨粒流機床加工的零件及零件尺寸，設計出磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具。實現更高的通用性，縮短設計、制造周期，降低成本。并通過理論分析及有限元分析其在的工作壓力下夾具體的應變情況，根據所得的分析結果對夾具再進行優化，以滿足性能要求。

1 磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具性能

夾具設計需滿足使用過程中工件定位的穩定性和可靠性；要有足夠的承載或夾持力度；要滿足裝夾過程中的簡單與快速操作；滿足夾具在調整或更換過程中重復定位的可靠性；要盡可能的避免結構復雜、成本昂貴。磨粒流機床夾具不僅要滿足普通機床夾具的性能要求還要對零件起定位作用且封堵住不需要進行加工的地方，輔以磨粒流磨料能夠運動到被加工的地方，從而對加工表面去毛刺和倒圓角。磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具是在實現普通磨粒流機床夾具的基礎上實現“一體”即一個夾具體；不論被拋光零件形狀、種類、數量如何變化均在一個夾具體上進行零件的定位、裝夾。夾具體與機床相連接部分采用螺栓連接，通用、方便、成本低?！皟惹抖嗄K組合結構”即在夾具體內部，根據被拋光零件的形狀、尺寸的不同，只需更換與之相應的內嵌模塊，形成與之相對應的夾具，使之具有廣泛的適應性，即結構柔性。

2 磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具設計

2.1 磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具導流套設計

當磨粒流從空間較大的機床磨料腔進入夾具內部時會因為腔徑的急劇變小而產生彈性湍流產生宏觀喇叭口現象及流速不均勻影響拋光精度。因此需要設計一導流套來解決此問題。導流套需直徑緩慢變小以解決彈性湍流問題。由于磨粒流機床磨料在加工腔體內都是往復運動實現加工，因此還需要一個倒流套來解決磨料回流過程中產生的彈性湍流現象。

2.2 磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具多模塊載體設計

圖1 倒流套圖

多模塊載體需要實現被拋光零件的形狀、尺寸的不同，只需更換與之相應的內嵌模塊，形成與之相對應的夾具，使之具有廣泛的適應性，即結構柔性。如圖2所示磨料流出通過弧形通道，螺紋孔用來做各部分連。接連接部分采用螺栓連接，通用、方便和成本低。

圖2 多模塊定位板圖

2.3 磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具實例應用

以拋光一圓柱齒輪為例，首先需要限制其自由度，其次需要形成合適的空間以實現良好的磨粒流拋光效果。

圖3 直齒圓柱齒輪夾具示意圖

如圖3所示，1導流套可以有效解決彈性湍流問題，提高磨料壓力，增大切削力，提高加工效率。2導流套引導磨粒流運動方向，使參與磨削的磨粒在同一方向，增大磨削力。在5多模塊載體上選擇適用于齒輪尺寸的螺紋孔，與定位座7聯接，將齒輪8放到定位座7上，齒輪8的X、Y方向的軸向自由度、徑向自由度被限制，再安裝9墊片、10螺母、11堵頭，既限制磨粒流流向，又限制齒輪在Z方向的徑向自由度。選擇合適尺寸的內套筒4，形成合適的磨粒流加工腔道。下導流套12既可以在磨料向下流動時，降低磨料壓力，提高下流速度，還可以在磨粒回流時解決彈性湍流問題，提高磨料壓力，增大切削力，提高加工效率。為防止磨料泄漏，有聯接部分安裝6密封圈。外套筒3既可以防止在有磨料泄漏時泄漏到機床上，還可以增加整個裝置的剛度，增大機床使用時的壓力范圍，更進一步提高機床的適用性。整個裝置不僅完成了齒輪磨粒流加工的定位需要，而且齒輪尺寸改變時，只需更換一個合適尺寸的內套筒4，無需再設計夾具，費用降低，效率提高，整個夾具的適用范圍大大增加。

假設加工零件換成一噴油嘴，如圖4所示，只需更換堵頭，不再使用螺母和墊片。直接將噴油嘴12安放到定位座7中，然后擰上中心帶有孔的堵頭13。堵頭13即可以限制磨料直接流向噴油嘴，還可以防止磨料流入套筒。既實現加工需求，又快捷、方便，提高生產效率，縮短夾具設計、制造周期，降低成本，很好地實現了通用性。

圖4 噴油嘴夾具示意圖

3 分析驗證

磨粒流機床的壓力范圍通常在,假設所有壓力均加在夾具上并且取極限值。通過CATIA應力分析模塊加載結果如圖5和圖6所示。其中圖5為加工件為齒輪時夾具所受應力，圖6為加工件為噴油嘴時夾具所受應力。由圖可知此夾具安全可行。

圖5 直齒圓柱齒輪夾具應力圖

圖6 噴油嘴夾具應力圖

4 結論

本文通過對現有磨粒流機床夾具存在通用性差問題進行了探討和研究，針對存在的問題，設計了磨粒流機床一體內嵌多模塊組合式夾具設計，夾具體多模塊載體固定在下導流套并與夾具套筒固定，夾具體壓板與上導流套固定。整個內嵌模塊固定在夾具體下導流套上。夾具體的上下導流套與機床連接。被加工零件形狀差異很大時，更換內嵌模塊；差異不大時，更換零件既可。并且通過分析軟件驗證了此夾具的合理性與可實現性。此磨粒流機床夾具操作簡單，效率高，經濟性好。

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