轴承套钻铰孔的多件装夹夹具设计

文章编号:１００８－１４０２(２０１９)０６－０９５７－０４

Ｖｏｌ.３７Ｎｏｖ.　Ｎｏ.６２０１９

轴承套钻铰孔的多件装夹夹具设计

杨　磊ꎬ　张国政ꎬ　周元枝

(安徽机电职业技术学院数控工程系ꎬ安徽芜湖２４１００２)

①

摘　要:　针对某精密轴承套件批量生产类型下钻铰孔夹具设计问题ꎬ提出三种类型装夹方案ꎬ采用三维装夹变形有限元分析方法分析夹紧方式ꎬ得出径向夹紧力所产生的应变应力最小且满足装夹需求ꎮ提出一种Ｖ形块定位和轴向气动夹紧的装夹方式ꎬ并运用多件装夹设计思想实现在数控机床上完成多件装夹功能ꎬ进而提高工件装夹效率ꎮ关键词:　轴承套ꎻ钻铰孔ꎻ多件装夹ꎻ夹具设计中图分类号:　ＴＨ１２３　　　　文献标识码:　Ａ

０　引　言

高生产效率ꎬ并保证了机床合理布局的生产线平衡问题ꎮ

夹具设计直接影响工件加工的质量ꎬ如何选择

合理装夹方案对于夹具设计十分关键ꎬ工件的装夹方案包括定位和夹紧两大功能ꎬ因此ꎬ分析工件装夹方案既要考虑定位的准确性ꎬ还要保证夹紧的可靠性ꎮ轴承套的加工工艺设计ꎬ及其圆周表面的钻、铰孔加工夹具设计是机械制造的常见课题ꎮ文献[１]分析了精密轴承套件在不同生产类型下的工艺设计ꎬ并给出了几种工艺方案ꎬ并通过三维有限元分析了工件的夹紧变形情况ꎬ但未对不同装夹方案中对圆柱表面钻孔进行应力、应变等比较分析ꎮ在确定装夹方案后ꎬ夹具设计则是影响机加工的关键因素ꎬ不仅影响着加工质量ꎬ还对加工效率有十分重要的影响ꎬ尤其是数控加工生产线平衡性问题ꎮ机加工生产线平衡性问题作为装配线平衡面向大规模生产类型ꎬ采用数控加工工艺方案必须考虑到夹具的功能ꎬ通过夹具来完成工件的多工序装夹等问题ꎬ进而解决加工生产线平衡问题ꎬ避免数控机床的单一工序加工而造成生产效率低下ꎮ

６]

张国政等[３􀅷提出多件装夹设计思想ꎬ进而可以解

１　轴承套钻铰孔装夹方案

轴承套零件如图１所示ꎬ材料为４５＃ꎬ其主要

加工工艺方案可参见文献[１]中表述ꎬ本文在此基础上ꎬ主要针对钻、铰轴承套圆柱表面径向孔Φ１３的装夹问题ꎬ提出三种类型装夹方案ꎮ为了保证工件Φ１３的正确装夹ꎬ该件需要采用不完全定位方式ꎬ需要约束除了绕其中心线旋转的自由度以外的五个自由度ꎬ此装夹方案可分别为Φ２８孔＋端面定位轴向夹紧装夹方案(记为方案Ⅰ)、Φ４１外圆柱面＋端面定位轴向夹紧装夹方案(记为方案Ⅱ)和Φ４４外圆柱面＋端面定位径向夹紧装夹方案(记为方案Ⅲ)ꎬ分别如图２、图３和图４所示ꎮ三种装夹方案都能满足工件定位要求ꎬ其中ꎬ方案Ⅰ和方案Ⅱ采用的是轴向夹紧方式ꎬ方案Ⅲ采用径向夹紧方式ꎮ三种装夹方案所产生的定位误差为:

ΔＤ＝ΔＢ＝０.０５ｍｍ

重合误差ꎮ

通过式(１)可见ꎬ定位误差为０.０５ｍｍ远小于Φ１３孔的定位尺寸０.２ｍｍꎬ为此ꎬ以上三种装夹方案的定位方式可行ꎮ那么ꎬ三种装夹方案中夹紧方式是否满足要求ꎬ需要对其夹紧力造成的夹紧变形的应力应变情况进行分析ꎮ

(１)

式(１)中ꎬΔＤ表示定位误差ꎬΔＢ表示基准不

问题的延伸ꎬ逐渐发展到机床夹具设计领域[２]ꎮ

决工件多工序加工问题ꎬ可平衡加工生产线不匹配问题ꎬ并给出了相关规划方法及工程应用实例ꎮ本文针对轴承套件的钻铰孔装夹问题ꎬ提出一体多件装夹设计思想ꎬ进而发挥数控机床的加工优势ꎬ提

①

收稿日期:２０１９－１０－１６

基金项目:安徽省高等学校自然科学研究重点项目(ＫＪ２０１７Ａ０７５５)ꎻ安徽省质量工程项目(２０１６ｍｓｇｚｓ０１６ꎬ２０１６ｃｋｊｈ０５８)ꎮ作者简介:杨磊(１９８０－)ꎬ男ꎬ安徽芜湖人ꎬ实验师ꎬ硕士ꎬ研究方向:现代数控装夹工艺规划理论ꎮ

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佳木斯大学学报(自然科学版)２０１９年

图１　轴承套零件图

图２　２８孔＋端面定位轴向夹紧装夹方案

图３　４１外圆柱面＋端面定位轴向夹紧装夹方案

２　夹紧变形有限元分析

文献[１]中运用ＡＮＳＹＳ１２.０软件对轴承套进行了应变分析ꎬ本文在此基础上ꎬ采用ＡＢＡＱＵＳ软件对其应力应变分析ꎬ进一步完善对其装夹夹紧变形情况＝２０９ＧＰａꎬꎮ经查阅泊松４５＃比材料属性(ＮＵＸＹ)ꎬ其杨氏模量ｖ＝０.２６９ꎬ(Ｅｘ密)度

Ｅ(ＤＥＮＳ)单ꎬ可通过ρＵＧ＝７８９０ＮＸ软件建模㎏/ｍ３ꎮ由于轴承套件结构简ꎬ保存成ｘ＿ｔ格式后导入到ＡＢＡＱＵＳ软件中进行分析ꎮ基于以上三种装夹方案ꎬ首先分析方案Ⅰ和方案Ⅱ采用的是轴向夹紧方ＡＢＡＱＵＳ式ꎬ夹紧力Ｆ＝１０００Ｎꎬ钻削力为１８０Ｎꎬ经等结果ꎬ如图软件分析轴承套装夹变形位移５和图６所示ꎮ

、应变应力图４　４４外圆柱面＋端面定位径向夹紧装夹方案

图５　轴向夹紧应变云图

图６　轴向夹紧应力云图

运用同样的方法ꎬ再使用夹紧力Ｆ＝１０００Ｎꎬ钻铰削力为１８０Ｎꎬ分析方案Ⅲ采用的是径向夹紧方式ꎬ经ＡＢＡＱＵＳ软件分析轴承套装夹变形时应

第６期杨　磊ꎬ等:轴承套钻铰孔的多件装夹夹具设计

工件产生的应变小ꎮ

９５９

变应力等结果ꎬ如图７和图８所示ꎮ

图７　径向夹紧应变云图

图８　径向夹紧应力云图

图９　芯轴夹具装置

通过分别比较图５和图７ꎬ其轴向夹紧产生的最大应变量为３.１４４Ｅ－０５ｍｍꎬ径向夹紧最大应变量为１.０１３Ｅ－０４ｍｍꎬ由此可见ꎬ轴向夹紧应变量比径向夹紧应变量要小一个当量ꎬ故而轴向夹紧对

图１０　一体多件装夹芯轴夹具

图１１　Ｖ形块定位夹具装置

图１２　Ｖ形块定位的一体多件装夹夹具装置

通过分别比较图６和图８ꎬ其轴向夹紧产生的最大应力为２.７.６１９Ｅ向夹紧产生应力要小４５６Ｅ＋０１Ｐａꎬ由此可见＋００Ｐａꎬꎬ故而轴向夹紧对工件产生的ꎬ轴向夹紧产生应力比径径向夹紧最大应力为应力小ꎮ以上分析结论是:轴向夹紧应变应力最小ꎬ

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佳木斯大学学报(自然科学版)２０１９年

主要是由于轴向夹紧满足工件夹紧刚性足的要求ꎮ

３　钻铰孔装夹夹具设计

３.１　芯轴夹具

根据以上装夹夹紧分析ꎬ采用轴向夹紧有利于保证工件装夹刚性ꎬ轴套件传统装夹方案是采用手动芯轴夹具夹紧ꎬ为提高夹紧效率ꎬ普遍利用气动夹紧方式ꎬ如图２所示的Φ２８孔＋端面定位轴向夹紧装夹方案ꎬ如图９所示ꎮ图９(ａ)所示未安装轴套件的芯轴夹具ꎻ图９(ｂ)所示安装轴套件的芯轴夹具ꎮ

由图９可见ꎬ由于被装夹轴套件轴向长度为５８ｍｍꎬ所以在芯轴夹具上装卸轴套件时气缸的行程必须超过５８ｍｍꎬ导致芯轴夹具长度增加ꎬ同时气缸行程也使得装夹效率较低ꎮ在数控加工过程中ꎬ为了提高装夹效率ꎬ采用一体多件装夹方式ꎬ可进一步将夹具设计为如图１０所示的两件装夹芯轴夹具ꎮ

图１０(ａ)所示未安装轴套件的一体多件装夹芯轴夹具ꎬ图(ｂ)所示安装轴套件的一体多件装夹芯轴夹具ꎬ其特点是不需要钻模板ꎬ但依然存在气缸行程大等缺点ꎬ为此ꎬ采用图３所示的Φ４１外圆柱面＋端面定位轴向夹紧装夹方案ꎮ３.２　Ｖ形块定位夹具

为了便于工件装夹ꎬ将芯轴更换为Ｖ形块ꎬ采用Ｖ形块定位方式ꎬ如图１１所示ꎮ在数控加工过程中ꎬ为了提高装夹效率ꎬ在此基础上设计为Ｖ形块定位的一体多件装夹夹具ꎬ如图１２所示ꎮ

图１２所示的Ｖ形块定位的一体多件装夹夹具装置ꎬ采用气动夹紧便于装卸工件ꎬ可有效地提

高工件装夹效率ꎬ在实际应用中比芯轴夹具节约２~３秒每件ꎬ便于实现机械手自动化装夹ꎬ利于大批量生产模式ꎮ

４　结　论

根据轴套件三种装夹工艺方案比较分析ꎬ通过有限元分析轴套件装夹应变应力ꎬ设计出一体多件装夹夹具装置ꎬ得出以下结论:

(１)轴套件装夹时ꎬ轴向夹紧时应变应力最小、刚性最好ꎬ因此ꎬ轴套类零件在装夹时应采用轴向夹紧力方向对工件实施夹紧ꎬ有利于工件的夹紧变形应变应力最小ꎮ

(２)传统芯轴夹具装夹效率较低ꎬ设计Ｖ形块定位的一体多件装夹夹具装置可提高装夹效率ꎬ有利于工业机械手自动化装夹ꎬ适合于现代加工定制化等批量生产模式ꎮ参考文献:

[１]　张国政ꎬ赵文英ꎬ孙灏ꎬ等.精密轴套件装夹变形有限元分析[２]　李爱平ꎬ鲁力ꎬ王世海ꎬ等.复杂箱体零件柔性机加工生产线

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[３]　张国政ꎬ韩江.多工序加工系统的数控夹具设计应用研究[４]　张国政ꎬ杨海卉ꎬ刘顺.基于工序集中要求的加工中心夹具设[５]　周元枝ꎬ张国政ꎬ刘顺.阀体件加工工艺分析与一体多件装夹

夹具设计[Ｊ].重庆科技学院学报:自然科学版ꎬ２０１３ꎬ１５(２):１３５－１３８.

[６]　张国政ꎬ徐小飞ꎬ刘顺.面向数控加工的一体多件装夹夹具设[７]　张国政ꎬ田晓青ꎬ周元枝.多工序制造系统自动装夹工艺规划

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与控制[Ｊ].制造业自动化ꎬ２０１８ꎬ４０(１):４０－４４.

计研究[Ｊ].重庆科技学院学报:自然科学版ꎬ２０１２ꎬ１４(３):

ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ－ｐｉｅｃｅＣｌａｍｐｉｎｇＦｉｘｔｕｒｅｆｏｒＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄ

ＲｅａｍｉｎｇＨｏｌｅｏｆＢｅａｒｉｎｇＳｌｅｅｖｅ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:　Ｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｒｅａｍｉｎｇｆｉｘｔｕｒｅｆｏｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｂｅａｒｉｎｇｓｌｅｅｖｅｉｎｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｃｌａｍｐｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄꎬｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｌａｍｐｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｌａｍｐｉｎｇｍｏｄｅꎬａｎｄｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒａｉｎｓｔｒｅｓｓｇｅｎｅｒａ￣ｔｅｄｂｙｔｈｅｒａｄｉａｌｃｌａｍｐｉｎｇｆｏｒｃｅｍｅｅｔｓｔｈｅｃｌａｍｐｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｍｉｎｉｍａｌｌｙ.ＴｈｅｃｌａｍｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆＶ－ｓｈａｐｅｄｂｌｏｃｋｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄａｘｉａｌｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｌａｍｐｉｎｇｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄꎬａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｐｉｅｃｅｃｌａｍｐｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｐｉｅｃｅｃｌａｍｐｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｏｎＣＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌꎬｔｈｅｒｅｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃｌａｍｐｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗｏｒｋｐｉｅｃｅ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:　ｂｅａｒｉｎｇｓｌｅｅｖｅꎻｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｒｅａｍｉｎｇꎻｍｕｌｔｉ－ｐｉｅｃｅｃｌａｍｐｉｎｇｆｉｘｔｕｒｅꎻｆｉｘｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ

(ＮＣＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＡｎｈｕｉＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＷｕｈｕＡｎｈｕｉ２４１００２ꎬＣｈｉｎａ)

ＹＡＮＧＬｅｉꎬ　ＺＨＡＮＧＧｕｏ－ｚｈｅｎｇꎬ　ＺＨＯＵＹｕａｎ－ｚｈｉ