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与时俱进的机床夹具设计思路探究

时间:2022-03-23来源:

导语:本文通过几个机床夹具设计的具体案例,分析了机床夹具设计时遇到主要问题的解决思路,同时结合自己多年来从事工艺设计工作的经验,分析了如何在现有的生产条件下,与时俱进地进行机床夹具的设计。

  1 前言

  机床夹具在机械制造业中应用很广。由机床夹具和机床、刀具、工件组成的加工工艺系统,能够根据工艺要求,迅速实现工件的定位和夹紧,并在加工过程中保持它们之间相对位置的正确。毫无疑问,使用夹具,可提高劳动生产率和加工精度。

  随着生产规模的不断扩大,近年各家齿轮制造公司从国内外引进了大量的数控加工设备,并推行精益生产方式。新技术、新设备、新的管理方法的应用,使机械加工的现场条件发生了很大变化。面对这些变化,如何与时俱进地进行机床夹具的设计,成为工艺设计人员不可回避的问题。最近,有关人员对笔者曾经设计的几个机床夹具的原理进行咨询,而笔者也一直在关注这几个夹具的应用情况,故拿来作为案例进行简要分析;同时结合现场的生产条件,对如何才能与时俱进地进行机床夹具设计这一问题进行探讨。

  2 几个机床夹具的设计思路

  以下分析的几个机床夹具,均为在新设备应用或进行精益生产推进的过程中产生的,这里对在当时特定环境下的夹具设计思路及遇到的主要问题进行简要的分析。

  2.1 双工位倒档齿压铜套夹具

  在汽车变速器齿轮的中,常有在内孔中镶铜套的齿轮。这些齿轮的加工工艺过程一般有:制齿→硬化处理→压铜套→车(磨)内孔。设计安全高效的压铜套夹具,离不开对其工艺过程的仔细分析。

        2.1.1 问题的提出

  压铜套工序的设备放置在热前加工区域,为与热前压其它齿轮的同步器接合齿环共用的设备,由同一人操作。根据精益生产布线需要,为减少不必要的搬运浪费,并平衡工作量,需将压铜套工序调整到热后加工区域,由其下一工序(车内孔)的操作者完成。

  2.1.2 问题的分析

  通过对原来的压铜套工序过程进行分析,认为有以下几点不能满足调整后的要求:

  1)动作过于复杂,致使工序节拍过长,不能满足一人多机的要求。

  原来的压铜套工序使用的工装如图1所示,其工序过程的内容为:右手取工件→将工件放工作台上→左手取铜套→将铜套对准齿轮孔口→右手取压具→将压具装入铜套孔中→左手持压具→右手操作压床手把→压入→检查(是否压到位或存在切边)→拿走工件。由此可见,一次成功的压铜套操作需要11个动作才能完成,动作复杂,操作者劳动强度大,熟练的操作需要15秒。

  图1 压铜套工装

  2)不能可靠地保证工序质量。

  3)在压入的过程中,一手持压具,一手操作设备,存在安全隐患。

  2.1.3 新设计方案

       对以上动作过于复杂的原因进行分析,主要是由于原来的夹具在工序进行的过程中不具备定位、导向的功能,完全靠操作者保证工件在加工过程中的相对位置的正确性。铜套和工件的硬度相差较大,在压入的整个过程中,如果铜套与工件的相对位置不能保证,很容易产生切边甚至报废现象。必须解决铜套和工件两者的定位问题,才能避免发生切边或报废现象。

  双工位倒档齿压铜套夹具(图2)主要设计思路是:

  图2 双工位压铜套夹具

  1)采用带顶尖孔的轴向浮动的台阶式定位芯轴。

  一方面解决在整个压入过程中铜套和工件的集中定位问题,另一方面解决在压入行程结束时两这定位关系的顺利交接。

  2)采用带顶尖的上压头。

  由于压入行程较长且工件的孔较小,因而芯轴也细长,采用这样的上压头可以起到导向的作用,使芯轴不至于倾斜。同时,顶尖在夹具的安装调试时兼起自动找正中心的作用。

  3)采用两件同时压入(即双工位)。

  在底座上及上压头上设计两个(或4个)压入加工位置,一方面实现多件同时加工,提高生产效率。另一方面在整个过程均采用双手操作,避免产生压床操作安全事故。

  使用多工位倒档齿压铜套夹具,其工序过程的内容为:双手取工件→将工件套芯轴上→双手取铜套→将铜套套芯轴上→双手按按扭→压入→双手按按扭→双手拿走工件。同时完成两个工件的加工,只需8个动作,动作简化,无人为检查内容,熟练的操作只需10秒(2件)。

  2.2 数控复合磨夹具

  进口高效的数控设备的应用,在提高了机床夹具设计水平的同时,也改变了高精度夹具的加工制造能力。只有充分考虑现场设备条件,才可以使夹具的设计制造成为可能。

  2.2.1 问题的提出

       进口的数控端面内控外圆复合磨床,由于受其使用的夹具国内无法制造,只能委托原夹具制造商制造,所以一直只能用随机附带的两个夹具加工2种产品,设备利用率不高。为了降低夹具成本,提高机床利用率,进行其夹具的国产化设计具有现实意义。

  2.2.3 问题的分析

  通过分析,随机附带夹具与其它内圆磨床的相同之处是夹具体均为弹性膜片,不同之处是工件的夹紧元件。进口机床加工时工件主轴转速高,在加工工件后端面时对工件有向前的拉力,在夹紧元件(图3)设计时采用整体焊接形式,并将夹紧用的卡爪设计成安装在座体的孔内,卡爪的头部采用三角形楔块形式。

  图3 夹紧元件

  该夹具的设计难点是:整体焊接结构,现有条件无法加工制造;卡爪(3个)头部三角形楔块角度的确定及在加工时的一致性和对称度难以保证。

  2.2.3 新设计方案

  在机械设计中,对加工难以控制的尺寸和精度,经常在总成装配时通过调整法获得相应的精度。因此,可以通过对原夹具进行解体设计(图4),用螺栓连接组装,通过调整法获得所需要的精度。

  

4  CERES320组合夹具

        在进行解体设计时,要注意以下几点:

  1)在零件设计时,设计必要的基准作为整个夹具装配调整的基准。

       2)考虑进口机床的转速较高,各零件尺寸的大小及公差选择应合理,避免夹具在使用中运转不平衡,造成加工振纹或不合格现象,特别是对于工件齿数不能被3整除的工件。

  3)为扩大夹具的使用范围,应考虑一定的调整范围,以满足不同大小工件的加工,避免不必要的重复设计。

  4)卡爪头部三角形楔块的加工精度及一致性,普通的磨床难以保证,可以充分利用引进的进口数控工具磨床进行加工保证。

  2.3 通用滚中间轴夹具

5  中间轴滚齿夹具

  为数控加工设备设计夹具,离不开对设备加工原理的了解。采用不同的加工程序,不仅加工效率不同,而且有时会给夹具设计带来方便。

  2.3.1 问题的提出

  国产的六轴数控滚齿机,随机附带的夹具用于滚某种型号的中间轴上的两档齿轮,由于产量的增大,为解决生产瓶颈,生产部门要求将另一种中间轴的滚齿工序在六轴数控滚齿机上进行。由于该中间轴较长,安装上滚齿夹具(夹具高度尺寸已经设法降低)后,其高度超出了机床Z轴行程的极限,因而无法进行滚齿加工。

  2.3.2 问题的分析与解决

  加工工艺系统由机床夹具、机床、刀具、工件组成,夹具设计要兼顾工艺系统的不同方面,如经常要考虑刀具干涉问题、机床规格(如工作台回转半径、行程极限)等问题。针对滚齿时Z轴加工行程不够的问题,可以从改变刀具直径及螺旋升角、改变夹具方案、改变加工方法等方面进行考虑,最简单高效的方法即为最佳的方法。

  滚齿时滚刀的切入方式有两种:轴向切入法和径向切入法,不同的切入方式有不同的应用场合。径向切入法具有切入行程短、效率高的优点,在普通滚齿机上无法发挥,在数控滚齿机却又容易被忽视。大量的实践证明,数控机床的使用效果,很大程度上取决于编程水平的高低,这直接影响到数控机床的使用和数控加工特点的发挥。在本例中,正是通过将滚齿加工程序中的滚刀切入方式改为径向切入方式,不仅解决了在不换夹具的情况下两种中间轴的滚齿问题,实现了夹具的通用化(图5),而且提高了生产效率。

  3 与时俱进的机床夹具设计思路初探

  通过对以上三个夹具设计思路的分析,可以看出,结合现场的生产条件进行机床夹具设计,要考虑以下几点:

  1)认真分析工艺过程

  结合生产现状及工序内容的安排,对工艺过程进行分析研究,找出夹具设计所要解决的主要问题。

  2)熟悉夹具所配机床的情况

  熟悉夹具所配机床的规格、性能参数、加工原理,避免设计出的夹具与机床不匹配,有时对解决夹具设计时遇到的问题也有帮助。

  3)及时了解现场设备状况

  夹具上有些关键的零部件,用通常的加工设备无法保证加工精度,通过对现有设备状况的了解,可以初步分析所设计夹具加工制造的可行性,提高设计的成功率。

  4)用系统的方法、创新的思路解决设计中遇到的问题

  夹具作为由夹具、机床、刀具、工件共同组成的工艺系统的一个部分,对夹具设计时遇到的问题,应从系统的角度去考虑解决,在借鉴类似夹具设计经验时,要勇于创新。

  5)懂得夹具的调整和使用

  通过对所设计夹具的调整和使用方法的分析,能够在设计时考虑到必要的精度、调整基准和空间,考虑到夹具使用的安全性和复杂性。

  4 结束语

  一套良好的夹具必须是:能够稳定地保证工件的加工质量,降低劳动强度,提高劳动生产率;结构简单、操作方便、安全,便于制造和维修;能够降低制造成本。设计一套良好的夹具必须建立在对现时、现场、现物的充分研究的基础之上。

标签: 机床夹具

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