数控铣床工装夹具的设计及其应用
作者：赵少君张亚平吴志清
来源：《商情》2011年第43期
【摘要】本文针对数控铣床工装夹具的设计要点与设计的步骤内容进行了探讨，并以实例对工装夹具的设计应用做了相应的说明。并阐述了数控铣床的工装夹具设计中涉及到的各方面的问题。
【关键词】数控铣床；工装夹具；设计要点；步骤内容
铣床指主要加工平面、垂直面、斜面、各种沟槽或成型面，利用分度头也可以加工螺旋槽，凸轮、成型面等。
机床夹具是根据工件工艺规程的某道工序要求及生产批量等进行设计的，夹具设计的质量直接影响到工件的质量、生产率及生产成本。所以机床夹具的设计和制造是非常重要的。设计的夹具应尽量简单、容易制造、装配、检验、维修等，要操作方便、使用安全。但是，在实际生产中，机床夹具的效率一直是制约机电产品生产快速发展的瓶颈，如何解决机床夹具设计中存在的问题。以下就此问题做一些探讨。
一、数控铣床工装夹具设计的要点
1、夹具应避免损伤工件。工件夹紧时，夹具的夹紧力不能过大，把工件夹变形，或过小而夹不稳工件。而夹具的材料过硬则会划伤工件。工件夹紧时，应使工件的各个受力点的受力均衡，以免造成工件的倾斜。夹紧力也应在主支承点上，力求靠近切削部位及刚性好的部位。因此，夹紧力的方向应尽量与切削力、工件重力等方向保持一致，以减少夹紧力，且垂直指向工件刚度最大的方向，以防止或减少工件变形。
2、设置恰当的程序原点、起刀点和走刀路线。在设计夹具时，要在工艺图中标明加工部位、起刀点及走刀路线相对程序原点的坐标位置，作为建立工件坐标系统与机床坐标系统间的联系。
3、提高夹具制造效率。制造夹具时应采用标准化、通用化程度高的组合夹具、模块化夹具以及成组夹具等，提高夹具件各部件的通用性，可以尽快的利用已有的组件组合生成新的夹具，缩短产品生产准备周期。为使机动和辅助时间重合，应大量采用气动、液压夹紧以及联合夹紧等装置，与采用多件和多位的联动夹紧机构，并尽量采用可调换夹具。
4、进行夹具防碰撞检验。在设计夹具时，应充分考虑到各个加工要求，避免刀具与夹具碰撞的情况发生。所以夹具设计时应清楚加工的起刀点与走刀路线，以确保夹具不与刀具或机
床发生干涉。设计者可以通过一些模型或者电脑的仿真软件来检验刀具是否与夹具发生干涉。必要时应进行防碰撞计算，并将结果准确地编入加工程序。
二、数控铣床工装夹具的设计步骤与内容
1、分析工件，选择好加工工艺与工序。首先了解工件的作用、特点、材料生产规模及技术要求。分析工件加工中的加工余量、加工精度、加工表面、定位基准以及前后工序的联系等情况，确定出合理的加工路线。设计夹具时，还要根据刀具、机床的参数，确定走刀次数，尽量使用一次装夹、多方位加工，一次加工成形。可以提高生产效率、提高加工精度。
2、提高装夹速度。在数控机床上加工工件时，定位机构的设计非常重要，好的定位机构可以对工件的装夹起到导向的作用，并对工件的加工精度起到决定性的作用。工件的定位安装应力求使设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一。尽量在一次定位装夹后，加工出尽可能多的待加工表面，避免采用人工调整方式的加工方案。以充分发挥数控机床的效能。在成批生产中还可采用多位、多件夹具，以提高加工效率。
3、选好对刀点。为了便于计算和程序简化，对刀点要选择与零件的定位基准容易换算的地方。这样在机床上找正容易，加工中便于检查，减少加工误差，我们通常把对刀点选择在工件的基准上。
4、选择合适的刀具和切削用量。在设计夹具时，必须充分考虑夹具、工件在铣床工作台上的位置。根据机床的行程、各加工部位刀具的配置及刀具的长度、各工位上的加工轨迹，来选择合理的刀具类型及刀具长度，确定工件在工作台上的最佳位置。否则，将会使机床超程、撞刀情况，影响提高生产效率和加工质量。在选择数控机床的切削用量时，如果是粗加工，一般以提高生产率为主，切削量较大，切削力也大，这时要考虑工件装夹的稳定性，夹具是否能承受。要是半精加工和精加工，应该注重工件装夹的精度。
5、机床夹具设计的标准化与通用化。在进行夹具设计时要考虑夹具的标准化与通用化。夹具设计的标准化是指夹具设计时，尽量使用统一标准，这样方便夹具各个零部件间的互换，提高夹具制造的精度与生产效率。
夹具的通用化，夹具设计时不以单一产品为生产对象，而是按若干产品的零部件结构和加工相似性来组织设计或生产。在夹具设计的开始阶段首先按照零件的结构特征、规格尺寸有计划、有针对性的进行归类排序，进而在工装夹具的设计中提高夹具的通用性。
三、以例轴盖机加工的工装夹具为例
以下以轴盖机加工的工装夹具为例讲述铣床加工时的工装夹具的设计应用。
1、工件进行分析。如图1和图2所示。
1.基准面
2.轴面
3.“O”型槽
4.油封孔
5.螺栓过孔
6.工艺搭台
图1、图2中所标出来的位置为需要加工的地方。1处为装配基准面，要求与轴的垂直度为0,05，2处外轴面与油封孔同轴度为0,05，3处为零件密封位置，通过O型圈进行密封，密封槽的深度要求1.8±0.1mm。
2、加工方案的选定。
由于有上述的技术要求，一序加工内容：先加工装配基准面作为零件的基准，再以专用成型刀一次加工轴面及密封槽，通过反镗刀加工油封孔保证同轴度，再加工三个装配螺栓孔。二序加工内容：加工5处得M6螺纹孔和铣掉两处的工艺搭台。
3、夹具设计方案
为了能保证零件的垂直度及同轴度，需要在同一工位，一次装夹加工保证。考虑到零件生产的需要、机床的充分利用以及生产的稳定性，夹具采用液压夹紧和双工位加工方式。一工位定位方式：以5处的预铸孔和油封孔外轴作为定位，由于零件的外型尺寸较小，加工装夹不方便，为了便于加工装夹，采用在零件上增加工艺搭台6处进行装夹；二工位定位方式：以一工位加工出来的A孔和轴端面作定位，夹紧产品的毛坯面固定产品。根据上述的分析，设计出的夹具如图3所示。
4、夹具工作原理：如图3所示，一工位以定位销1和定位孔2把产品定位好，以三处支承10和压紧块4压紧固定产品；二工位以定位销6和定位孔7把产品定位好，以三处支承11和压紧块压紧固定产品。通过夹具开关9控制液压油路控制压紧块动作夹紧工件进行加工。加工时，工件先在一工位加工相应部分，然后移到二工位进行装夹，同时可在一工位装夹新毛坯后，与二工位工件一起进行加工，这样可以在一台机台上完成两个工序，提高了机床的利用率如图4所示。
5、本工装夹具的设计要点：
(1)本次夹具设计采用的是液压系统进行夹紧，使得加工时操作更加简单便捷，能够灵活的调整装夹的力度，避免夹伤工件。
(2)采用双工位装夹加工，可以利用一台机床加工两个工序，可以起到提高机床利用率的作用。
(3)在工件的精度要求下，采用一次装夹尽可能多的加工工件的加工面，避免多次装夹影响精度。
(4)工件的外形过少与形状不规则，需要增加工艺搭台进行夹紧。
四、总结
