氣動執行閥數控銑削加工的夾具設計與裝夾

牛曉莉

摘 要：通過氣動執行閥結構件數控銑削加工工藝分析，對易造成零件加工困難、裝夾變形等影響零件加工質量穩定性的因素進行分析，優化氣動執行閥結構件加工工藝流程，設計出專用夾具，解決了零件裝夾困難、變形等問題，實現氣動執行閥結構件優質高效穩定的生產。

關鍵詞：氣動執行閥;數控銑削;夾具設計

氣動執行閥是用于鍋爐或其他熔煉爐上的控制裝置，主要用途是控制進入氣體的頻率，氣動執行閥主軸每分鐘轉動的圈數就是控制氣體進入的頻率。為了實現氣動執行閥密封性的目的，在執行閥結構的設計中，廣泛采用了無縫鋼套筒，由于其制造成本低、產量大、密封性好等特點，在機械行業及一些有密封要求的作輸送氣、流體的管道或結構件中應用較多。

我校與某爐窯節能股份有限公司校企合作時遇到了大批量氣動執行閥零件的加工，其材質為普通碳素結構鋼Q235。根據圖1所示，該工件尺寸大而壁薄的形狀、高精度的尺寸和粗糙度要求、大的金屬去除量，并且在切削加工過程中切削力和夾緊力等因素的影響下，使得工件或刀具在切削加工過程中容易振動、變形等現象極其明顯。這些因素的共同作用下，最終會導致執行閥結構件薄壁類零件加工質量和加工效率的低下，無法提高產品的競爭力，甚至損害企業的利益。在實際加工過程中筆者經過認真分析及設計，形成了完善工藝加工方案，設計出專用的夾具，使加工質量得到了有效的控制，加工效率提高。

一、工藝特點分析

該零件材料為Q235，毛坯料外徑為φ325mm。從圖1可以看出該零件壁薄肋薄且壁厚為5mm的無縫管筒，剛性差，零件經過焊接前后兩端軸套后的長度尺寸大于400mm，尺寸精度0.03mm、形位公差要求及表面粗糙度要求較高。此外，該零件加工面較多，既要考慮如何保證工件在加工時的定位精度，又要考慮裝夾方便、可靠、以及重復裝夾定位精度。由于該氣動執行閥筒體有165mm、219mm、273mm和325mm四個尺寸型號，165mm、219mm可以在加工中心（四軸）上一次裝夾完成兩端前后軸套的銑削加工，保證同軸度形位公差。但273mm和325mm型號加上兩端的前后軸套，超出了加工中心（四軸）的轉動范圍，加工完工件前端軸套后，旋轉180°加工后端軸套，就會與機床的工作臺發生干涉，無法繼續加工。在零件檢測方面，用戶要求使用氣動執行閥主軸加上配套銅墊，穿過前端軸套與后端軸套相互配合（如圖2所示），執行閥主軸可以靈活轉動，不允許出現無法轉動、卡死等情況。在長度大于400mm的薄壁筒體上，保證銑削后，前端和后端軸套不變形、同軸度形位公差不超過φ0.03mm，這是加工過程中的難點。

二、零件產生變形的原因分析

1.易受力變形：因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀公差;

2.易受熱變形：因工件較單薄，切削熱會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制;

3.易振動變形：在切削力（特別是粗加工時的切削力）的作用下，容易產生振動和變形，直接影響工件的尺寸精度和表面粗糙度。

由于零件為碳素結構鋼，加工時采用輕切快跑的方式，產生的熱量小并且有充足的切削液冷卻，所以排除了熱變形的影響。加工過程中，前端軸套內孔可以在加工中心（四軸）上采用一夾一頂裝夾銑削出來，不會發生受力變形。而后端軸套銑削加工時，由于工作臺干涉問題就需要掉頭裝夾，采用三軸加工中心，定位基準面為前端軸套的頂面。如果夾緊前端軸套的頂面，數控銑削后端軸套的內孔時，形成了尺寸大于400mm的長懸臂工件，加之中間的支撐筒體（空心型腔）又是大尺寸薄壁件，剛性差，數控銑削時，由于切削力會導致工件振動和擺動，使后端軸套變形、偏離軸線，與前端軸套不同軸，為了克服加工過程中切削力產生的零件移動或者旋轉，必須施以較大的壓緊力，而大的壓緊力導致了零件自身的變形最終導致廢品。

通過分析，影響該零件變形的主要原因在于銑削加工過程中裝夾、壓緊時受力大小、受力方向和受力點。為保證氣動執行閥結構件加工質量，提高加工效率，必須增加零件銑削加工剛性的支撐。

三、加工工藝方案

為了提高產品的尺寸穩定性，對于批量長懸臂薄壁零件加工我們必須從工藝安排、夾具設計、設備的選擇、刀具幾何參數、程序的編制等方面進行綜合考慮。 本文重點從夾具設計方面進行分析如何在反復裝夾后保證零件加工精度。

圖3所示，該零件加工的內容多，加工工序較多，尺寸精度、形位公差要求較高，如果單純采用四軸聯動的加工中心加工的話，只能完成165mm、219mm型號加工，而273mm、325mm型號由于工作臺的干涉無法完成。必須分多次裝夾，才能完成，由于多次裝夾必然產生累計誤差，增加了對尺寸控制的難度，影響了效率的提高，因此，為了最大限度地消除多次裝夾產生的累計誤所以只能采用加工中心（四軸）與加工中心（三軸）配合完成各工序的加工。

根據零件特點，制定加工工藝流程見表 1。

四、夾具設計及裝夾

由于該零件的加工工藝較復雜，包含了普車、數控車、焊接、數控銑等，本文重點講解數控銑的夾具設計及裝夾。

在工序50數控銑加工中心（四軸）上，利用車削好的工件內腔定位，裝夾方式為三爪自定心卡盤+尾座，一夾一頂保證工件有足夠的剛性不變形（圖4所示）。銑削工件前端軸套頂面，銑平即可，作為后續加工的基準面;銑削軸套孔mm，保證尺寸，鉆4×φ10mm孔，鉆M8mm螺紋底孔，倒角。

在工序60數控銑加工中心（三軸）上，由于工件長臂懸梁，筒體空腔較薄，剛性較差，采用常規的通用夾具來裝夾工件及切削加工，將難于控制工件的振動、變形，很難達到技術要求，因此，需要設計出一套適合零件的專用夾具（圖5所示）。

使用了新設計的夾具裝夾后效果顯示：零件精加工完成后，用執行閥主軸穿入配合測試，執行閥主軸可以較靈活的轉動，無帶力、卡死現象，完全滿足企業的使用要求。利用該夾具裝夾方法我們完成了本批產品零件和另外一種長度尺寸為325mm型號工件的加工，全部符合圖樣要求，取得了良好的效果。

五、總結

通過對夾具設計與裝夾，有效的解決了零件裝夾，保證了零件加工的尺寸精度和大批量加工中的尺寸穩定性。 同時也方便操作者在實際加工過程中的操作，大大提高批量零件加工效率，在教學實踐中也得到了廣泛運用。

參考文獻：

①李文東.高速銑削薄壁件加工變形控制及工藝優化研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012：1-2.

②張琳，何永紅.一種高精度易變形U型懸臂結構件的加工方法[J].學術論文，2013，06（3）：35-37.

③陳裕銀.淺談薄壁零件加工的夾具設計與裝夾[J].機械與電子，2011，（21）：543-544.

④韓嘯.薄壁零件加工變形的分析[J].機械工程與自動化，2010，06（3）：194-195.