薄壁类小型回转结构件的模块化气动夹具设计

工装的设计、制造是缩短新产品研制周期、降低研制成本的关键驱动因素之一。据统计，工装的设计、制造周期一般约占新产品研制周期的40%，工装成本占总成本的20%～30%；因此，工装准备问题已经成为制约企业精益生产和敏捷制造的瓶颈之一[1]。本文提出应用模块化设计思想，来解决薄壁类小型回转结构件系列产品的工装快速设计与准备问题。由于薄壁类小型回转零件结构的特殊性，加工过程中受装夹力大小不确定和切削力等因素的作用很容易发生装夹和加工变形，造成零件加工质量问题。

1 薄壁类小型回转零件

1.1 典型零件结构

典型零件结构如图1所示。

图1 薄壁类小型回转结构件典型零件结构

1.2 装夹方式

以往在加工中心上加工回转结构件类零件时，常用装夹方式为三爪自定心卡盘(见图2)。

图2 三爪自定心卡盘

直接夹紧或采用三爪自定心卡盘通过衬套夹紧零件时，由于是三点夹紧，夹紧力不均匀，容易造成零件变形(见图3)。

图3 三点夹紧变形示意图

加工中心用三爪自定心卡盘一般都是机械式锁紧，由于装夹力不同也会造成零件变形状态不一致，难以保持一个稳定的工艺状态，并且采用手工进行锁紧及松开动作，操作效率较低，从而影响了机床加工效率。

通过分析此类产品的特点，将零件夹持方式进行成组化分类，并将夹具夹持部件进行模块化设计，采用气动方式，在生产过程中只需快速更换相应的模块即可。工装的模块化设计和自动夹紧方式对缩短生产周期、降低生产成本、提高生产效率有着十分重要的意义。

2 模块化气动夹具设计

2.1 夹具结构及工作原理

夹具结构如图4所示。夹具体与底座连接，形成夹具的外部结构。气缸固定在底座上，气缸活塞杆与托板采用螺栓联接，托板与滑块之间通过2个连杆连接，使气缸工作时带动滑块在夹具体内上下运动。弹簧卡头固定在夹具体上，当手动球阀旋到进气位置时，气缸加压带动滑块向上运动，滑块与弹簧卡头配合锥面接触，并施加向上推力，使弹簧卡头夹紧零件。当手动球阀旋到关闭状态，封闭气路保持压力即可开始加工零件。零件加工完成后，手动球阀旋到泄压状态，气缸泄压利用气缸内弹簧拉力带动滑块向下回到起始位置，弹簧卡头松开零件。

图4 夹具结构

2.2 夹具的模块化特性分析与设计

薄壁类小型回转结构件虽然种类多，但加工时一般都是以回转部位的外圆为基准定位加工的，其直径为3～32 mm；因此，此类零件的夹紧可以采用通用型夹具。为了解决此类零件在传统加工过程中三爪自定心卡盘夹持时，出现夹紧受力不均匀引起的变形问题，以及实现夹具的自动夹紧，现采用弹簧卡头自动夹紧的结构(见图5)代替三爪自定心卡盘。弹簧卡头夹紧精度较高，夹紧过程中零件外圆受力均匀，不易产生夹紧变形，适用于易变形的小型回转结构件的加工装夹[2-3]。

图5 弹簧卡头

该夹具中利用自身的螺纹部分直接联接在夹具体上，更换方便，在更换弹簧卡头时不需拆卸其他部件。选用的弹簧卡头为数控车床通用型号，夹持范围广，装夹零件时可根据零件外圆直径大小，选用相应的弹簧卡头即可。由于夹具是通过滑块的运动实现零件的夹紧，弹簧卡头固定不动，在弹簧卡头内部安装轴向定位装置后可以有效地避免夹紧过程中零件轴向浮动，使得该夹具适用于对轴向尺寸要求较严的零件加工。另外，夹具夹持力大小可以通过改变气源的压力或更换气缸的型号进行调整，这样有效地拓展了夹具的使用范围。该模块化气动夹具具有夹紧力稳定、装夹精度较高、方便实现自动夹紧和装夹适应面广等特点。

2.3 夹持力分析

弹簧卡头受力分析图如图6所示。气动夹具夹紧过程中，滑块向上运动，其内锥面与弹簧卡头外锥面接触，给弹簧卡头施加一个向上的推力。

图6 弹簧卡头受力情况

当被夹紧工件无轴向定位时，弹簧卡头夹紧工件时所需作用在弹簧卡头上的轴向力的简化计算公式为[4-5]：

F0=f2μ2+f3cosθ

(1)

式中，f2是工件对弹簧卡头的反作用力，与弹簧卡头夹紧工件的力大小相等方向相反；θ是弹簧卡头半锥角；f3是沿锥面的摩擦力；μ2是弹簧卡头与工件的摩擦因数。

摩擦力f3的计算公式为：

f3=f1μ1

(2)

式中，f1是弹簧卡头卡爪的弹性变形力；μ1是弹簧卡头与外夹套的摩擦因数。

作用在弹簧卡头上的轴向力即为气缸工作时活塞提供的推力，则F0的计算公式为：

(3)

式中，p是输入气缸的气体压强；d是气缸活塞的直径。

然而，切削过程中切削力Pz的大小又和切削参数(见表1)密切相关。只有当F0≥Pz时，切削才能正常进行。

表1 零件切削相关参数

Pz计算公式为：

(4)

式中，N切是切削功率；V是切削速度。

切削速度的计算公式为：

(5)

式中，D是刀具直径；n是刀具转速。

硬质合金铣刀切削功率计算公式[6]：

N切

(6)

式中，CN可通过查资料得出；ap是切削深度；ae是切削宽度；Sz是每齿走刀量；D是刀具直径；z是刀齿数。取CN=0.64，x=1,y=0.75,q=0.27,u=0.85,f=1,k=1,根据式4～式6计算出Pz。令Pz=f2μ2，可计算出f2，通过式1～式3计算出气缸的直径，从而可确定气缸的选型。

3 模块化气动夹具的应用效果

以某薄壁小型回转类零件为例，验证模块化气动夹具的应用效果。加工内容为加工零件外形及2个小孔，零件加工过程需要夹持φ11外圆，由于零件加持部位壁厚为1 mm，且内孔尺寸公差较小，故在装夹过程中需要避免由于夹持力过大导致内孔变形问题。

该零件以往是由三爪自定心卡盘夹持φ11外圆进行加工，加工过程中夹紧力大小完全依靠个人手感，经常出现由于加紧力过小导致加工过程零件夹持不稳产生振刀纹，或加紧力过大导致内孔变形报废等问题。为改善零件的夹持状态，选用模块化气动夹具进行装夹。

通过受力分析计算选择合适的气缸型号，保证可靠的夹持力。应用该模块化气动夹具(见图7)后，加工表面有了明显的改善(见图8)。

图7 模块化气动夹具

图8 加工零件对比

原装夹方式由于重复定位精度差，每件零件夹紧后均需校正坐标系，单件校正时间约为2 min。应用模块化气动夹具后，无需校正坐标系，单件装夹时间t≤5 s，降低了工人劳动强度，且采用气动自动夹紧方式后，加工过程装夹稳定，重复定位精度高，零件合格率达到100%，提高了加工效率。由于此类零件的批量大，综合效率提升非常可观。

4 结语与展望

以零件加工工艺为基础，应用成组思想、模块化思想以及自动化思想对零件的装夹方式进行改进，并设计出了薄壁类小型回转结构件的模块化气动夹具。该夹具的实际应用效果很好，不仅解决了三爪自定心卡盘装夹带来的变形问题，而且达到了快速装夹、自动夹紧的效果，加工精度和加工效率都有了显著提高；另外，模块化夹具不仅节省了成本，而且满足了企业精益生产、敏捷制造的要求[7]。

模块化快换夹具也将是多品种、小批量航空制造企业夹具的发展趋势。本文设计应用的模块化气动夹具通过应用实践后，可以根据批量的大小，评估经济成本后，拓展模块化夹具的应用范围，将模块化气动夹具设计为多工位模块化气动夹具(见图9)，进一步提高生产效率。

图9 多工位模块化气动夹具