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工件定位和夹紧解决方案
本文来源: 本站 发布时间: 2024-05-28  浏览量: 23次

☞这是《金属加工》发表的第13513篇文章()

编者注

通过分析定位与夹紧在机械加工过程中的作用,提出了选择定位与夹紧的一些原则性工艺知识。同时,通过对机械加工过程中几种典型结构工件的定位与夹紧工艺分析,深入研究了机械加工过程中如何为工件选择合适的定位与夹紧方案。

1 前言

有过机械加工经验的人都知道工件定位与夹紧对于加工的重要性。毫不夸张地说,随着现代科学技术的不断进步,各种先进的数控机床、高度智能化的CAM软件和高品质的刀具不断涌现,各种形状、结构、精度的工件特征都很容易加工。相反,加工过程中的一些辅助工作往往让工艺人员和设备操作人员感到非常头疼和难以解决。在安排工件的加工时,如何解决工件的定位与夹紧是工艺人员和操作人员在刀具启动前需要考虑的两大技术问题。在加工工件时,工件的定位与夹紧的选择和安排是否合理,对产品的加工质量、效率以及操作人员的操作性都有很大的影响。对于一些结构规则的工件,加工过程中的定位与夹紧自然是容易选择的。 但对于一些结构不规则、复杂的工件、铸件、薄壁件等,要合理解决工件的定位夹紧问题,还是需要费一番功夫和心思。笔者就职于航空航天加工制造公司,有近三十年生产线工艺设计和数控编程经验,熟悉不同结构工件的加工,在解决工件加工的定位夹紧问题上积累了相当多的经验。现将大家常见的如何解决工件定位夹紧问题的经验总结如下,希望对各位同仁在解决此类问题时有所启发和帮助。

2.工件定位

选择好工件定位基准是移刀加工前的一个关键步骤。工件定位基准选择的合理性对保证加工工件的尺寸有很重要的影响。一般工件都会有长、宽、高三个方向的尺寸,因此标注尺寸的基准也会有三个方向的基准。在选择定位基准时,一般情况下会优先选择设计基准作为定位基准,如果设计基准不方便作为加工的定位基准,则应选择其它的点、线或面进行基准的适当换算。加工定位基准常用的方法有:互相垂直的相邻竖角三面定位法和二销单面定位法。

对于形状规则的工件,定位基准容易选取;但对于形状不规则的工件,工件本体上几乎没有可以作为定位基准的定位平面或孔。这就要求工艺设计人员在进行工艺设计时,必须为工件加工预留定位基准,以方便工件定位。至于如何预留定位,下面将选取几个典型部位进行说明,在此不再赘述。

3.工件夹紧

与工件定位一样,加工工件并正确装夹工件也是移动刀具前的重要步骤。工件装夹方式是否合适,对操作者操作的方便性、加工过程的安全性、工件的变形等都有很大的影响。

装夹工件时应注意以下几点:首先,要保证工件装夹牢固,加工过程中绝不允许工件出现松动,这是保证加工质量的前提,也是保证加工安全的需要;其次,要注意装夹的方便性,可以减少操作人员的劳动量;第三,要保证工件尽可能快速地装夹,这样可以减少加工的辅助时间,提高加工的效率;最后,在保证装夹牢固安全的前提下,要考虑尽可能地减少装夹的变形,这对保证工件的加工质量有着重要的意义。

工件的装夹方式有多种,加工时原则是根据产品的结构形式,因地制宜,采用适当的方法。主要方式有:夹紧、压紧、吸附。实施方法有:手动夹紧、气动夹紧、液压夹紧等。

装夹工件的主要装置有:虎钳、卡盘、真空吸盘及专用夹具等。紧固所用紧固件主要有:螺栓、螺母、垫圈和压板等。

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4.专用夹具设计

用于装夹工件的夹具分为两大类,一类是通用夹具,如前面提到的虎钳(见图1)、卡盘(见图2)、真空吸盘(见图3)等,都属于通用夹具的范畴。每类通用夹具又有若干种类型,规格各异。如虎钳有平口虎钳、度盘虎钳、组合虎钳等;卡盘有自定心卡盘、单动卡盘和六瓜卡盘等。通用夹具主要用于装夹一些规则的工件,其主要特点是装夹方便、快捷。在加工过程中,除了常见的通用夹具外,另一类工件装夹就是专用夹具,也是不可缺少的。对于一些不规则工件的加工,为了便于工件的定位和装夹,必须制作专用夹具来实现。

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a) 扁嘴虎糖

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b) 度夹

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c) 组合虎钳

图1 几种通用虎钳

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a) 自定心卡盘

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b) 单动卡盘

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c) 六个瓜瓣

图2 几种通用卡盘

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a) 小型真空杯

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b) 中型真空吸盘

图3 几种常见的真空吸盘夹具

专用夹具的设计是一个技术性很强的过程,要求设计人员具备很强的加工工艺知识和经验。在设计专用夹具时,应遵循以下几个原则:首先,专用夹具的设计还应考虑到设计的通用性,即一夹多用。在加工结构相同或相似但尺寸不同的同类型产品时,都应坚持这一设计理念,也易于实现;其次,要坚持化繁为简的设计原则,夹具尽可能简单,这样才能便于制造,降低加工制造成本;最后,要保证专用夹具的可靠性,确保加工过程和操作人员的人身安全。

5 几种典型工件毛坯的工艺基准及装夹位置的预留方法

(1)典型工件1:汽车发动机缸体 汽车发动机缸体的毛坯(见图4)一般由铸造而成,缸体上分布的所有安装面、安装孔均需通过机械加工完成。由于发动机缸体的毛坯为铸造而成,因此后续加工的余量并不均匀,首阶加工余量的配合是否合适对后续加工的影响很大。有机械加工经验的人都知道,一般铸造加工时,在走刀前,需安排划线人员对毛坯尺寸进行配合,并在毛坯表面划线,操作人员需参照划线进行加工。由于一个发动机缸体上往往有上万条线需要划线,而该缸体需要配合的尺寸多达几百个,因此首阶加工选择人工划线配合显然是不现实的。因此,需在毛坯上留出工艺基准孔或工艺基准面作为首阶定位基准,并制作专用工装进行加工。 发动机机体的预留工艺基准,一般是在适当的位置预铸两个平锥形销孔或圆孔及若干个小平台面作为一次定位基准,以保证一次加工的准确性和效率。

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图4 某汽车发动机缸体毛坯(加工时预留工艺凸台及工艺孔)

(2)典型工件2:飞机机翼飞机机翼(见图5)俗称飞机的“肢体”,为了减少飞机在飞行过程中的阻力,其表面结构一般设计为具有复合角的流线型结构。根据产品批量大小,机翼毛坯的供应方式一般有两种:一是铸造,二是板材直接加工。无论采用哪种毛坯方式,在加工时都不宜直接将机翼表面定位加工,最佳的工艺选择方法是在机翼边缘预留合适的工艺凸台,用于定位夹紧。

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a) 8个工艺凸台翅片预留4周

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b) 预留4个工艺凸台翅片

图5:飞机机翼(加工时保留工艺凸台)

(3)典型工件三:口架工件飞机舱段上的口架工件(见图6)种类繁多,结构形式多样,但都有一个共同点,即结构壁较薄,外表面或内表面为圆柱面或圆锥面,且和前文提到的飞机机翼一样,毛坯供应方式也会根据产品批量,选择铸造而成或直接板材加工而成。定位与装夹还需要在工件上预先设计工艺凸台,以方便口架的正常加工。口架的结构形式多样,设计工艺凸台的位置也要根据口架的结构、具体工件、具体布置情况而定。工艺凸台的设计主要基于两点考虑,一是便于定位与装夹;二是增强加工系统刚性,防止工件在加工过程中变形。

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图6:某飞机上的口框零件(加工时预留了4个工艺凸台)

6.工件定位与夹紧的禁忌

1)使用虎钳夹持工件时,避免以动钳口面作为CNC加工XYZ三个方向的基准,必须以定钳口面作为基准,因为工件毛坯存在公差,选择动钳口面作为基准会影响尺寸加工精度。

2)工件装夹的受力点不应布置在结构悬空的位置,避免造成工件装夹不牢,防止工件受力变形。

3)装夹薄壁工件时,应避免夹紧力过大,装夹过程中用力过大,或直接在薄壁上放置压板来压紧工件,这样都会导致工件变形。

4)定位时避免定位过度,这样会使定位尺寸过于精确,人为地增加制造难度,增加加工成本。

5)避免在未清理夹具和工件的定位面,包括定位平台、定位销、定位孔等情况下就进行定位,直接装夹工件,这样会造成定位不准确。因此,在装夹工件前,一定要将夹具和工件表面吹、擦、冲干净。若表面有锈迹,可用砂布清除。

6)夹具使用完毕后,一定要妥善保管,在定位面上涂上防锈油,密封保存。

7 结论

工件的定位与夹紧虽然被定义为机械加工的辅助工作,但确实是动刀加工前两个重要的工作环节。定位与夹紧方案的恰当与否,对工件的加工质量、加工效率、加工的可靠性与安全性都有直接的影响,切不可马虎、大意。要对定位与夹紧做出合理、科学的选择,需要在实际加工过程中多加探索、多加总结,做到熟能生巧。

本文发表于《金属加工(冷加工)》2021年第7期第56-58页。作者为中国航天科工集团四院宏阳机电公司张文明、吴国俊、张守明、刘冬青、李静。原文标题为:《工件定位夹紧方案》。

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