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摘要
批量生产的型材零件若直接在数控铣床上装夹加工会极大地影响加工精度及加工效率。本文以汽车空调系统中冷凝器中的压板零件为例，研究其装夹方案和数控加工工艺，设计一款专用液压夹具，不仅解决批量生产问题，提高加工精度和生产效率，同时此款夹具还可用于类似其它型材零件的加工，适用性和推广性强。
关键词：数控铣床； 型材； 快速加工； 液压； 夹具设计；
Abstract
the machining accuracy and efficiency will be greatly affected if the profile parts produced in batch are directly clamped on the CNC milling machine. Taking the pressing plate parts in the condenser of the automobile air conditioning system as an example, this paper studies its clamping scheme and numerical control processing technology, designs a special hydraulic clamp, which not only solves the problem of mass production, improves the processing accuracy and production efficiency, but also can be used for processing similar to other profile parts, with strong applicability and popularization.
Keywords: CNC milling machine; profile; rapid machining; hydraulic; fixture design;
目录
1 引言------------------------------------------------------------------------------------------------1
2 问题的出现与分析-------------------------------------------------------------------------------2
3 夹具的设计---------------------------------------------------------------------------------------3
3.1 夹具的结构-------------------------------------------------------------------------------------4
3.2 工件的定位-------------------------------------------------------------------------------------5
3.3 工件的夹紧------------------------------------------------------------------------------------6
4 加工操作流程------------------------------------------------------------------------------------7
5 结果分析-------------------------------------------------------------------------------------------8
6 总结反思--------------------------------------------------------------------------------------------9
文内图表
图1 压板零件二维图纸
图2 压板零件三维立体图
图3 夹具三维模型
图4 夹具夹紧状态图
图5 夹具实物图
图6 加工后的压板零件实物图
参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------10
1 引言
为提高产品的加工精度，合适的工装夹具在加工过程中是非常重要的，加工任何零件都需要用工装夹具在机床上进行定位装夹，在实际的加工中，根据零件特点采用合理的工装夹具能够确保零件加工精度、提高生产效率、降低成本、减轻工人劳动强度、缩短产品生产周期和扩大机床的工艺范围[1].本文需要加工的零件来自于校企合作单位一家做汽车配件的公司，这个零件是使用在汽车空调系统中冷凝器上的接咀压板，它是与空调管路连接的，这种压板主要使用在日系车的冷凝器上，需要批量生产。在分析零件结构及技术要求后，若直接采用现有的数控设备加工，装夹会不稳定，加工强度大，生产效率低，很难满足企业的要求，为此很有必要设计一款专用夹具，能有效地减少工件的装夹和对刀时间，提高生产效率和加工精度，并且由于是大批量生产，使用此夹具经济价值更加明显。
2 问题的出现与分析
企业提供的压板零件二维加工图纸如图1所示，压板零件三维立体图如图2所示。
图1 压板零件二维图纸
图2 压板零件三维立体图
零件材质为铝型材3003,型材毛坯为三米长的长料，使用全自动下料机进行型材下料，选取使用材料YLA-02型材，下料长度为23mm.该零件是通过点焊的方式焊接在冷凝管上，上下两个面都需要进行加工，主体特征是上表面直径为？10.15深度为12的孔跟M6的螺纹孔，下表面是台阶，并且有直径为？20的圆弧面跟斜面，圆弧面需要与？20的冷凝管进行焊接，加工精度要求较高。因此需要装夹两次，如果按照常规装夹方式，使用数控铣床的普通夹具加工则每个工件都需要进行两次装夹和对刀，生产时间长，而且由于工件的外形是不规则的轮廓，装夹很难稳定，工件质量难以保证，加工的经济效益降低[2].综合考虑到以上这些因素及生产批量较大的要求，综合分析工件图纸，根据零件毛坯的特征设计一套在三轴数控铣床上使用的专用夹具，以解决这一生产难题。
毛坯来料为23mm长的YLA-02型材，通过出口压板零件图的分析以及与企业的沟通，学校需按照图纸的要求对型材的上下两个面进行加工，并且要求粗糙度能达到图纸上标的精度要求。由于零件的加工面是上下两个面，如果采用铣床上通用的夹具（如机用台虎钳）会出现以下问题：
（1）上下两个面都需要加工需要装夹两次；
（2）工件反面重新装夹后必须要重新对刀、校正，找准加工位置；
（3）加工效率低，一次只能加工一件，无法同时加工多件。
基于以上问题，如果采用通用夹具加工此零件时，单件加工都需要进行两次装夹、对刀找正加工位置等操作，导致装夹不稳定，工件质量无法保证，加工时间增加，经济效益不高，不能如期完成加工任务。因此，为保证加工质量，提高加工效率，降低人工强度，满足批量生产需求，对这批型材零件的加工装夹夹具应满足如下要求：
（1）工件装夹要满足装夹容易、快速和有效，并且装夹稳定的要求；
（2）工件反向装夹后无需重新对刀，缩短生产时间；
（3）满足批量生产要求。
因此，针对此型材零件的特点及加工要求，设计了一套液压夹紧专用加工夹具，通过该夹具可将YLA-02型材加工成压板零件，将YLA-02型材加工成其它零件均可进行加工，在保证加工质量的同时该夹具具有很好的适用性和延展性。
3 夹具的设计
依据机床夹具设计必须满足的基本要求：一是保证工件加工的各项技术要求，满足图纸设计要求；二是具有较低的制造成本和较高的生产效率；三是尽量选用标准化零部件；四是夹具操作方便安全、省力，装夹稳定；五是具有良好的结构工艺性，便于加工制造等[3],依据以上夹具设计的要求，综合分析零件结构以及加工要求，设计了夹具的结构。
3.1 夹具的结构
依据分析毛坯来料形状可知毛坯外形的高度即为零件的高度，毛坯外形由材料厂家根据企业的要求开模拉的，长度为3米长，企业再通过全自动下料机切割成28毫米长的单个毛坯件，需要在数控铣床上加工的则是零件的上下两个面，根据毛坯形状以及加工要求，夹具三维结构模型如图3所示。
图3 夹具三维模型
夹具底座尺寸为540×300×110毫米，底座材料为Q235铁板，底座通过四个通孔与机床用螺栓进行固定，本套夹具的底座是通用性的，成型方式通过线切割加工，底座的通液孔和安装孔在加工中心加工完成，当改变夹具主体形状时，此套夹具底座也可通用。夹具上面的主体部分零件都是通过线切割完成，当需要加工其它型材零件时，只需要更改活动部分零件的形状尺寸即可，夹紧部分的结构可以通过，夹具主体部件上的安装孔也在加工中心完成，加工完成后再经过热处理提高强度和韧性，夹具主体尺寸为430×220×44毫米，单排尺寸为430×85×44毫米，两排之间距离为50毫米，每排4个工位，本套夹具一次装夹可加工8个零件，夹具材料为45号钢。通过进油管进油促使油缸中的活塞带动燕尾形零件向下运动，推动左右滑块向两侧移动，进而夹紧工件，如图4所示为夹紧后的状态，通过出油管出油推动燕尾形零件向上运动，燕尾形零件左右两个滑块压力降低，进而可卸下工件，夹具右侧的进油管跟出油管连接到数控机床上，通过油缸控制阀控制进油跟出油。夹具实物图5所示。
图4 夹具夹紧状态图
图5 夹具实物图
3.2 工件的定位
为确保零件的加工精度要求，在加工零件的过程中必须使工件在夹具中具有准确的位置，这一位置依靠夹具的定位元件来实现。顾名思义，夹具的定位元件是用来确定工件在夹具中的准确位置，保证被加工工件的定位基面与夹具定位元件直接接触或相配合。为了防止加工过程中对工件加工精度产生较大影响，需要使用夹具对各个工件进行固定与定位，保障工件加工阶段不会产生较大位移，提升提升加工精确性和加工定位精度。在定位过程中工件常见的定位方式有六自由度定位法，其原理是每个工件在空间中都具备上下、左右、前后等六个自由度，对工件六个自由度进行合理控制可以保障工件在空间范围中这六个方面能有效移动，加工阶段不会产生较大偏移。本套夹具中工件的定位依靠定位元件与工件直接接触实现，当进油管进油时油压带动燕尾行零件向下运动，推动燕尾形零件左右两边的滑块分别向两侧运动，进而使工件与夹具轮廓完整贴合，实现零件的定位与固定。
3.3 工件的夹紧
为保证把工件压紧在定位元件上并使其在加工的过程中保持准确的定位位置，必须通过一定的机构在工件定位后对工件产生夹紧力，使其不会因为切削时产生的切削力和工件的重力等的作用而振动或者位置发生变化，以保证其加工精度和安全操作，这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置。夹紧机构是使工件在外力作用下仍能保持其正确定位位置的机构，铣床的夹具夹紧装置设计一般要满足如下基本要求：一是夹紧装置设计必须保证在装夹过程中加工的零件不产生较大的变形及其外部有损伤；二是夹紧设计不能破坏定位元件上工件的位置；三是夹紧的力度要适宜，不能过大或者过小；四是夹紧机构应当有较好的稳定性和耐用性，组成夹紧机构的各部件材料应有较强刚度和强度；五是夹紧机构应具有较强的可操作性，应满足方便、安全、省力和操作简便的要求。本套夹紧采用的夹紧方式为液压夹紧，液压夹具相对于普通通用夹具装夹效率更高，更适合现代数控机床的加工，结构简单，操作方便，不需要借助人为的力量也能进行夹紧式样的工作，易于自动化控制，可以适合不同的零件生产，适用面更广。由于工件毛坯整体尺寸不大，质量较轻，本套夹具中通过进油管跟出油管两根油管实现进油与出油功能，通过油缸控制阀控制进油与出油，当毛坯料放好后，启动进油管进油，促使燕尾形零件向下运动，推动左右两侧的滑块分别向左右两边滑动，此时夹具是夹紧工件的状态，当加工完后出油管排油，推动燕尾形零件向上运动，此时夹具是松懈的状态。
4 加工操作流程
加工时，夹具的操作流程如下：
（1）使用全自动下料机进行型材下料，选取使用材料YLA-02型材，下料长度23毫米；
（2）将夹具通过螺栓固定装夹在机床上，再装夹型材毛坯；
（3）装夹刀具并进行找正对刀；
（4）使用直径为？8毫米的钻头加工？8的通孔；
（5）成型刀粗加工？10.15的内孔，孔深12毫米；
（6）成型刀精加工？10.15的内孔；
（7）使用直径为？5毫米的钻头钻？5的孔；
（8）倒角刀加工0.5×45度的倒角；
（9）M6丝锥攻牙；
（10）正面加工完成后，进气松开夹具，拆卸工件，再反面装夹工件；
（11）平面刀铣平面台阶；
（12）球头刀铣圆弧与斜角；
（13）倒角刀倒0.5×45度倒角；
（14）拆卸工件；
（15）使用全自动超声波清洗机对工件进行清洗与烘干；
（16）打包入库。
5 结果分析
采用本套夹具进行加工，尽管还需要对工件的上下两个进行两次装夹，但是由于夹具位置固定，在对上表面进行加工时需要进行一次对刀和找正，加工下表面时直接装夹后就加工无需再进行对刀和找正，大大缩短了加工装夹校正时间，并且克服了装夹不稳定的难题，保证了加工质量，并且一次可同时加工八件工件，日产量可达到600件左右，有效提高了经济效益，如期完成了加工任务，加工完成后的汽车空调冷凝器中的出口压板零件实物如图6所示。同时本套夹具还可用于加工使用此型材的零件，夹具的适用性和推广性强。
图6 加工后的压板零件实物图
6 总结反思
本套夹具是一款以液压方式驱动的夹具，结构简单，操作容易，使用灵活方便，具有较强的适用性和推广性，夹具底座可通用，只需要更换上面的夹具体轮廓结构即可灵活变成加工类似型材的零件，装夹方便稳定，加工效率高。但由于经过长时间工作后夹具中的液体不可避免会发生漏损现象，且油液具有微小的可压缩性以及管路会不可避免地产生弹性变形，油液在管路中流动会产生压力损失，因此不适合远距离传动。
参考文献
[1]刘帆。工装夹具在生产加工中的作用[J].农家参谋，2019（22）：311.
[2]吴秋燕，倪子田。三轴数控铣床快速加工双面零件的夹具设计[J].模具制造，2016（1）16.
[3]吴拓。机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，2009:59-100.