本文主要針對國外加工中心機(jī)床的夾具改造方案進(jìn)行國產(chǎn)化的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行解析，首先需要了解國外加工中心夾具設(shè)計(jì)原理，才能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行國產(chǎn)化改造，主要需在夾具材料，硬件配合、產(chǎn)品差異、受力分析、安裝要求、成本等方面進(jìn)行對比綜合，才能使新增機(jī)型能在現(xiàn)有的加工中心機(jī)床上進(jìn)行柔性化生產(chǎn)。

　　1 引言

　　加工中心機(jī)床在大多數(shù)汽車企業(yè)成為生產(chǎn)發(fā)動機(jī)的主力加工設(shè)備。隨著我國對于汽車的排放要求越來越高，發(fā)動機(jī)技術(shù)需要不斷的進(jìn)行提升，隨之而來對于加工中心機(jī)床進(jìn)行柔性化的改造，對于每個(gè)汽車企業(yè)都是極大的挑戰(zhàn)。發(fā)動機(jī)是汽車的“心臟”，而發(fā)動機(jī)缸體是汽車五大部件之一，是發(fā)動機(jī)的最核心、最關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件之一在發(fā)動機(jī)技術(shù)提升過程，缸體制造也會遇到新的挑戰(zhàn)，為了提高發(fā)動機(jī)缸體的柔性化制造、低成本改造，會在現(xiàn)有加工中心機(jī)床上進(jìn)行適應(yīng)性改造，本文主要針對國外加工中心機(jī)床的夾具改造方案進(jìn)行國產(chǎn)化的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的解析。

　　2 夾具設(shè)計(jì)

　　國外加工中心夾具設(shè)計(jì)：柔性加工性能良好的加工中心機(jī)床在很多企業(yè)成為主力加工設(shè)備。為了充分發(fā)揮這些先進(jìn)設(shè)備的作用，必須 要有先進(jìn)的工藝裝備與之相配套，因此，設(shè)計(jì)和應(yīng)用專用的夾具就成為這類企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，國外加工中心廠家大部分實(shí)行自主設(shè)計(jì)+外包加工夾具，或設(shè)計(jì)及加工夾具同時(shí)外包。本文主要討論的是四軸加工中心，夾具與加工中心機(jī)床主要靠 B 軸或者 A 軸的對應(yīng)的油路/氣路連接，從而實(shí)現(xiàn)對夾具上的液壓缸，氣檢塊等進(jìn)行監(jiān)控。夾具設(shè)計(jì)一般分成兩類：裝配式與焊接式。加工中心原廠設(shè)計(jì)使用的是焊接式夾具，則后期改造一般需要整體更換;如設(shè)計(jì)使用的的裝配式夾具，則后期根據(jù)工藝排布，可只改造部分結(jié)構(gòu)無需整體更換。設(shè)備的柔性則體現(xiàn)于此。那么國產(chǎn)設(shè)計(jì)及制造的夾具如何實(shí)現(xiàn)與國外加工中心進(jìn)行裝配，并能保證加工精度，設(shè)備加工能力的關(guān)鍵技術(shù)以下將詳細(xì)說明。

　　國產(chǎn)化夾具設(shè)計(jì) ：國產(chǎn)化的夾具需要與國外機(jī)床能夠完成配合，需要保證以下幾點(diǎn)關(guān)鍵參數(shù)：

　?、俨牧希号c B 軸接觸的夾具底板需使用與原夾具相同材料;需要確認(rèn)原設(shè)計(jì)的油路壓力、氣路壓力，保證國產(chǎn)化的夾具油路/氣路設(shè)計(jì)的最小壁厚，確保不泄露;

　　②定位：定位銷設(shè)計(jì)需要有內(nèi)部氣路，實(shí)現(xiàn)斷銷檢測;單個(gè)定位面設(shè)計(jì)的面積需要保證在 10mm*10mm 以內(nèi)，并且相鄰兩個(gè)定位面的高度差需控制在±0.02mm;需要有工件預(yù)定位裝置，避免使用零件的鑄造面進(jìn)行預(yù)定位，容易產(chǎn)生過定位的問題;

　?、蹔A緊：國產(chǎn)夾具的夾緊力驅(qū)動方式仍需使用液壓夾緊;夾緊頭需使用螺栓安裝在氣缸桿上，實(shí)現(xiàn)快速更換，提升夾具的柔性;根據(jù)改造新增機(jī)型的材料、切深、硬度等需要計(jì)算出切削力大小，并決定油缸的選型。

　　切削力是指在切削過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具 上的大小相等、方向相反的力。切削力可以分解為：切削力 (主切削力 Fc)、背向力(切深抗力 Fp)和進(jìn)給力(進(jìn)給抗力 Ff)。

　　以粗加工 OP40 的夾具為例，夾具如圖 1 所示。

　　1——夾具夾緊油缸;2——缸體.

　　圖 1 粗加工 OP40 夾具

　　該工序主要為粗銑端面，刀具材料為硬質(zhì)合金，切削力計(jì)算如下：

　　所選刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)：γ₀=5~8°，α₀=6~8°， β=-5~20°，D=125mm，fz =0.2mm，ap=2.5mm，Z=18，B=100 mm，Cp=294，HBS=210。

　　將數(shù)值帶入公式得：

　　切削力 F_c=1559.1N，進(jìn)給力 F_f=1403.19N，背向 Fp= 857.51N

　　根據(jù)工件切削過程受力情況，找出在加工過程中與夾緊力對抗較大的瞬間狀態(tài)，同時(shí)需要考慮乘以安全系數(shù) K 作為實(shí)際所需夾緊力 Wk 的數(shù)值，即：

　　計(jì)算結(jié)果如下：

　　對于新設(shè)計(jì)的夾具油缸夾緊力計(jì)算如下，夾緊力是由單桿活塞液壓夾緊是產(chǎn)生的：

　　式中：p₁=6MPa，p₂=0MPa，D=70mm，d=56mm;

　　液壓缸的夾緊力 F=8318.44N，實(shí)際夾緊力遠(yuǎn)大于通過切削力計(jì)算的夾緊力，夾具工裝可靠性高。

　?、茈x線耐久驗(yàn)證：夾具設(shè)計(jì)完成后需要單獨(dú)供應(yīng)液壓站和氣動站，進(jìn)行離線 24 小時(shí)的保壓測試，此測試為了提前發(fā)現(xiàn)油路或氣路竄漏問題;400 次夾緊松開零件測試，此測試為了檢測夾具的干涉問題與夾具選材裝配耐久性。

　　其他：夾具需設(shè)計(jì)沖洗加工碎屑的液路，并且夾具需要有排碎屑設(shè)計(jì)。

　　3 夾具實(shí)施方案

　　焊接式夾具改造方案：改造新增機(jī)型與原機(jī)型的定位一致，但是夾緊點(diǎn)不 同，則需要改造夾具的頂板，頂板的油缸布置夾緊點(diǎn)分布 或者是增加輔助夾緊點(diǎn)，均可通過更換頂板實(shí)現(xiàn)，如果是 新增機(jī)型與原機(jī)型高度有差異，可以通過更換長行程的油 缸解決，但是整個(gè)夾具設(shè)計(jì)的高度需要考慮與機(jī)床頂部空 間是否有干涉。

　　裝配式夾具改造方案：

　　A 軸加工中心夾具整體改造關(guān)鍵技術(shù)

　　如改造新增機(jī)型與原機(jī)型的定位不一致，或者夾緊點(diǎn) 位置不同，則需要整體更換夾具，新夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是重 新排布定位塊的位置，夾具的中心位置需根據(jù)加工特征及 原機(jī)床的各軸行程對比，如 Y 軸負(fù)方向無法完成加工，則 夾具中心點(diǎn)需要往 Y 軸的正方向移動相應(yīng)的距離。

　　B 軸加工中心夾具整體改造關(guān)鍵技術(shù)

　　如改造新增機(jī)型與原機(jī)型的夾緊點(diǎn)位置不同，則可以考慮更換夾緊夾頭設(shè)計(jì)，但是如果外形特征變大，工件與夾緊頭有干涉，則需要整體更換夾具，盡可能使用快換式夾緊頭推動快速換型。部分夾具由于精度要求，無法達(dá)到則可以考慮將裝配夾具改成焊接夾具，對于夾具的制造來說精度更高。

　　加工中心夾具部分改造關(guān)鍵技術(shù)

　　如改造新增機(jī)型與原機(jī)型的定位一致，則需考慮該工序的夾具側(cè)板是否會與刀具有干涉，如果加工有干涉可以通過三個(gè)方法進(jìn)行解決：

　?、僭黾拥毒唛L度，減小刀桿直徑;

　　②通過加工夾具有干涉部分材料，從而將解決干涉問題，前提是加工該部分材料后夾具油路/氣路不會造成泄露;

　?、鄹鼡Q該干涉的側(cè)板，并更改原油路/氣路設(shè)計(jì)，為提高成功率，油路/氣路的入口及出口處位置不變，只更改油路/氣路在側(cè)板內(nèi)部的加工位置。

　　4 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

　?、贋閷?shí)現(xiàn)吊裝需考慮夾具關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸及吊裝點(diǎn)。本文主要研究的是改造夾具設(shè)計(jì)，那么需要對新舊夾具進(jìn)行吊裝，所以夾具需要有個(gè)專用的吊裝點(diǎn)，否則無法保證夾具的高精度。夾具的定位面需要同時(shí)設(shè)計(jì)有氣檢孔和切屑液孔，可以在工件定位前起到重新定位面的作用，減少裝夾過程中的誤報(bào)警;夾具的定位銷需要有氣路，并且進(jìn)行充氣，如果定位銷斷裂則氣壓壓力下降，說明設(shè)備定位精 度變差。

　?、诔杀炯靶什町悺Ｍㄟ^國產(chǎn)化夾具，成本比進(jìn)口夾具降低約 50%，為了保證產(chǎn)品的長期耐久性，建議可以選擇相同的原材料進(jìn)行加工，這樣成功率要高得多。焊接式夾具精度易保證，但是柔性較低，裝配式夾具首次投入成本較高，但是后續(xù)的改造成本低，改造工作量低。夾具投入建造后到廠時(shí)間比國外快 1/3 左右，現(xiàn)在這幾類夾具均使用有 1 年左右，加工的過程能力均>1.33，滿足改造前的設(shè)備要求。

　?、蹎栴}及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。由于新增機(jī)型與原機(jī)型加工切屑力的差異，容易造成夾緊頭等關(guān)鍵連接部件耐久性不足，出現(xiàn)開裂等問題，需要重新對夾緊頭進(jìn)行熱處理，此處對前期的受力分析要求十分精確。

　　根據(jù)零件的工作條件，分析載荷特點(diǎn)和應(yīng)力分布情況，掌握主要損壞形式，確定應(yīng)有的力學(xué)性能指標(biāo)，并從它們之間的概略關(guān)系估算出響應(yīng)的硬度，重要零件還要關(guān)注金相組織等，在實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中會有零件的加工余量波動等問題，可以通過優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化走刀路徑達(dá)到減小負(fù)載的目的。

　　5 結(jié)束語

　　由于行業(yè)的快速發(fā)展，通常加工中心機(jī)床的壽命比發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的壽命更長，對加工中心的柔性化設(shè)計(jì)是未來的趨勢，為了使新增機(jī)型能在現(xiàn)有的加工中心機(jī)床上進(jìn)行柔性化生產(chǎn)，那么在加工中心選型的初期應(yīng)盡量選擇 X/Y/Z 軸行程大的設(shè)備。其次對于液壓夾具優(yōu)先選擇裝配式夾具，改造過程可以根據(jù)工藝的排布只針對部分夾具板進(jìn)行改造或更換，最次的使用焊接式夾具，需要整體更換液壓夾具，也要關(guān)注新夾具與加工中心的 A/B 軸進(jìn)行連接時(shí)的夾具板選材及加工質(zhì)量，以及油路/氣路所能承受的最大壓力，需要考慮預(yù)留 2-3 倍的安全系數(shù)。