液壓夾具的穩定性控制

舒曉君， 徐紅彥， 劉新文

（中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司，陜西漢中 723200）

0 引言

我公司的產品大多是非回轉體結構件，在零件加工過程中，通常采用多點支承與多點夾持技術，多點支承與多點夾持系統大多采用等高墊塊與螺栓、壓板配合使用，由工人手動調整操作安裝、定位和夾緊。多點支撐、多點夾持時，由于支撐元件的制造誤差、零件加工誤差及機床設備精度誤差，在零件裝夾操作過程中，很難準確地保證支承點中心與壓緊點中心在同一條線上；不同操作工存在轉矩差異，很難保證壓緊過程中對零件施加合適的壓緊力，勢必會造成零件裝夾受壓變形或裝夾不穩定，嚴重影響零件的加工質量且生產效率低[1]。液壓夾具中的液壓支撐缸具有浮動功能，以微小的彈簧力接觸工件并可停止在任意位置，通過錐套下壓產生一個非常大的力抱緊活塞桿，從而完成輔助支撐定位，使得作用于工件的夾持力均勻分布，增加工件加工的穩定性和剛度，消除零件的裝夾加工變形，有效地防止了切削力的振動對加工質量的影響。液壓夾緊力在裝夾過程中，壓緊力不變，確保同一工位下的加工尺寸一致，尺寸穩定性高，可實現產品裝夾穩定性控制，保證產品的加工質量[2]。而我公司液壓夾具的應用還未普及，本文從液壓夾具的工作原理、夾具設計、負載分析、液壓缸、切削系統穩定性實驗等方面來論述液壓夾具裝夾的穩定性控制，介紹該工裝的設計過程。

1 液壓夾具工作原理

液壓夾具是在PLC的準確控制下驅動相應的電磁換向閥，使液壓缸推出或收回來夾緊或松開工件，還能通過自動控制壓板的壓緊、抬起、旋轉讓開刀具，防止刀具碰撞。用液壓元件來取代傳統的機械零件夾具，由一些標準系列的液壓夾具元件及專用的夾具體組合而成，實現對工件的自動定位、支承與夾緊。常見標準系列的液壓夾具元件有液壓夾緊油缸、浮動支撐油缸、蓄能器總成模塊、快速接頭、小型液壓站等[3]。液壓夾具既能在粗加工時承受較大的切削力，也能在精加工時保證足夠的定位精度，具有夾緊力大、夾緊可靠、工作平穩、使用方便等優點。

2 液壓夾具設計穩定性

夾具的主定位方案設計必須符合六點定位原理。在零件結構分析的基礎上，通常選用零件的特征部位定位或壓緊，如選擇規則的孔、平面等；當零件為不規則的型面時，可通過制作工藝基準、仿形裝夾元件等途徑，實現工件的穩定裝夾。壓緊點一般選在工件剛度最高的地方，盡量靠近加工面，以減少加工過程中切削力產生的加工振動和應力變形，保證零件裝夾可靠，能夠限制零件加工過程中的軸向移動及旋轉自由度。

3 液壓夾具負載分析

液壓夾具的工作負載即為零件所受的切削力和零件自重（有輔助支撐時），切削力值將作為各液壓夾具中液壓缸選型的主要依據，為使液壓系統能夠平衡最大切削力，需對零件加工過程中所使用的刀具規格、切削用量及切削力方向進行分析，分析切向力（主切削力）、徑向力、軸向力，對于以孔作為主定位的產品，通常以最大切向力作為主定位夾緊直推缸選型的依據，以軸向切削力及零件自重作為支撐缸及壓緊缸選型的依據；對于以面作為主定位的產品，需對最大軸向切削力及零件自重進行計算并作為主定位支撐缸及壓緊缸選型的依據。

3.1 基于公式的切削力計算

通過上述理論計算，主切削力值為1955 N，為此可選取大于1955 N作為確定主定位夾緊油缸選型的依據，可滿足產品加工過程中穩定性要求。

3.2 基于有限元分析軟件對切削力3D仿真計算

由于切削過程涉及復雜的力學、物理和化學等現象，刀具和工件切削過程難以實時觀測分析，而通常理論計算選用的參數往往是經驗值，可能與實際切削過程中的真實值存在一定誤差，因此在零件受力分析的基礎上，可以借助有限元分析軟件（如ANSYS、AdvantEdge、FEM等軟件）進行切削力數值仿真，可以通過對切削力曲線的測量快速確定每把刀具加工時的切向力、徑向力及軸向力的極值，在各把刀具的切削力極值中，選擇最大值作為液壓缸選型的依據。切削力3D仿真需具備的主要參數包括刀具規格、刀具徑向前角、軸向前角、主偏角、切削深度、最大切寬、進給量、主軸轉速、每齒進給量等。

4 液壓缸的穩定性

以上提供了基于公式的切削力計算、基于有限元分析軟件對切削力3D仿真計算，通過這2種方式進行液壓夾具負載分析，將計算分析得出的負載作為液壓夾具中液壓缸選型的主要依據，確保液壓缸工作中的穩定性。

4.1 確定液壓缸主要尺寸

4.2 液壓壓緊缸

由于工件結構的特性差異，某個夾緊角度、夾緊位置上存在夾具元件與加工刀具相互干涉的問題，為了有效地避開液壓夾具與加工刀具的干涉，在壓緊上可采用實現不同動作的轉角壓緊缸，來完成特殊部位的壓緊動作。常用壓緊缸有0°和90°兩種型號的轉角壓緊缸，其中0°轉角壓緊缸可完成夾具元件壓板上、下方向壓緊零件的動作，實現工件非加工面、側邊的壓緊；90°轉角壓緊缸可完成夾具元件壓板上、下方向移動并轉動角度方向后壓緊工件的動作，實現非加工面、側邊的壓緊。轉角壓緊缸主要通過壓緊力與零件產生的靜摩擦力來克服零件切削過程中產生的徑向切削力，從而達到工件的穩定裝夾加工。

4.3 液壓支撐缸選取

液壓支撐缸能有效防止在加工工件時產生的振動及夾緊時產生的變形。選用油壓上升型浮動型支撐缸，缸的工作原理（如圖1）為：當油壓為“關”，柱塞為初始狀態；當油壓為“開”，供給油壓使柱塞活塞上升；在油壓的作用下使柱塞活塞向上運動，并通過柱塞彈簧推動接觸螺栓上升，使接觸螺栓支撐面接觸零件后，柱塞活塞上升運動停止；在油壓作用下，側面活塞開始下壓動作，側面活塞和筒夾的錐面構造通過鋼球對柱塞產生強勁的握緊力，使柱塞處于抱死狀態，一旦接觸零件后不再給零件施加作用力，所以在抱緊過程中不會產生變形，與工件之間無間隙生成。

圖1 浮動支撐缸原理圖

浮動液壓支撐缸具有多點自適應性。在液壓缸工作時，柱塞運動過程中一旦接觸工件表面，就立即停止運動，不再給工件施加作用力。它可彌補相同工件由于加工誤差、機床定位誤差等造成的工件不規則外形、加工工件尺寸差異、工件接觸面形狀差異等，也可將支撐缸的支撐頭部做成仿形的，形狀按需要支撐的工件外形定制或萬向轉動支撐頭等，完成工件的穩定支撐，有效地控制工件在加工過程中出現的振動、裝夾變形等不利因素，確保工件裝夾穩定。

5 切削系統穩定性實驗

在不考慮零件變形的影響下，液壓缸的壓緊力理論上是越大越好。但由于存在變形，往往松開后會造成零件回彈，導致尺寸超差，因此需要綜合考慮，既要保證零件壓緊（抵抗最大切削力），又要兼顧零件的變形情況，因此可通過實驗測出不同壓力下零件的變形量和加工過程中跳動量，根據不同狀態下的變形量和跳動量，建立數學關系，進行理論分析。

5.1 非加工靜態實驗

經工藝驗證發現，當產品處于非加工靜態時，通過百分表測出液壓缸在主切削力方向上對工件施加不同壓力下得到的工件變形量（由夾緊力引起），用最小二乘法求得液壓缸壓力與工件變形量的關系（一般接近線性關系）：

式中：y為液壓缸壓力；x為工件變形量；a、b為系數。

在產品處于非加工靜態時，同時啟動支撐缸向上動作，當支撐缸一接觸零件表面，支撐缸的活塞被抱死，支撐缸就停止向上的支撐力，處于自然狀態下支撐零件。這時再啟動壓緊缸并壓緊零件，通過百分表檢測到零件上表面跳動為0。

工藝試驗說明，當產品處于非加工靜態時，啟動液壓支撐缸和液壓壓緊缸對工件的裝夾變形無影響，僅在主切削力方向上液壓缸的壓力與工件變形量有關，用最小二乘法可求得液壓缸壓力與工件變形量的線性函數。

5.2 加工狀態實驗

產品處于加工狀態時，通過百分表測出在主切削力方向液壓缸不同壓力下的工件跳動量值（由切削力引起），用最小二乘法求得壓力和跳動量的關系，此關系一般為非線性關系。

對于非線性關系，可以采用曲線擬合（用解析表達式逼近離散數據）的方法，一般常用的函數有以下3種函數。

1）指數函數。指數函數標準形式兩邊取對數得

由上式可以看出，當ln Y和X呈直線趨勢時可以選用指數函數來描述跳動量Y與壓力X之間的非線性關系。

2）對數函數。利用換底公式得

當Y和ln X呈直線趨勢時，可以選用對數函數來描述跳動量Y與壓力X之間的非線性關系。

3）冪函數。冪函數的標準形式兩邊取自然對數，得

當ln Y和ln X呈直線趨勢時，可以選用冪數函數來描述跳動量Y與壓力X之間的非線性關系。

5.3 穩定性壓力確定

為了解析非加工靜態與加工狀態下所需液壓系統最優工作壓力，使液壓夾具系統既能抵抗最大切削力，又能保持最小壓緊變形量，運用數學方法將非加工時的變形量和加工時的跳動量來聯立方程組（如圖2），求得曲線交點，即可得到在相同變形量和跳動量時的壓力值，即為液壓系統穩定的工作壓力。

圖2 壓力和變形量、跳動量曲線擬合

6 結語

本文從液壓夾具的工作原理、液壓夾具及元件的設計、加工過程工件負載分析、液壓缸選用等方面論述了液壓夾具設計，以確保液壓夾具的穩定性；同時還通過工件裝夾靜態和加工動態下切削系統穩定性的實驗，實測壓力與變形量數值，運用最小二乘法求得2種狀態下的函數方程，聯立2組函數方程求交，得出能使加工工藝系統中零件變形最小、加工最穩定的壓力值。本文從這些方面對液壓夾具的穩定性進行了全方位分析研究，為今后的液壓夾具設計、液壓裝夾技術應用提供參考。