液压夹具设计方法

刘雄杰

摘   要：随着汽配行业竞争不断加剧，增能率、降成本成为各厂家引进新型生产线的终极目标。标准加工机搭载专用夹具的方案，成为达成这一目标的有效途径。液压夹具是实现高效、批量加工的基础，本文介绍了液压夹具的各部分机能及设计要点，介绍了切削力计算的经验公式，并提出基于人机工程学的夹具设计考量，列出较常用的设计数据，以供参考。

关键词：定位基准  切削力计算  设计原则

中图分类号：TH137                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（c）-0093-02

随着汽配行业竞争不断加剧，增能率，降成本成为各厂家引进新型生产线的终极目标。标准加工机搭载专用夹具的方案，成为达成这一目标的有效途径。同一型机床，为何生产效率会有巨大差异？除本身的批量化程度、工艺水准以外，夹具自动化与定制程度也尤为重要。只有科学合理的设计夹具，才能发挥设备最大效能。

1  机床夹具的组成

（1）定位基准;（2）夹紧装置;（3）对刀装置;（4）夹具本体;（5）其他元件及装置。

2  夹具设计要点

（1）定位基准：基准是确定生产对象几何要素间关系的点、线、面，在加工中用以定位工件。原则上，定位基准即工件固定基准，以保证加工尺寸的稳定性。通常，基准面会设置ISA气动位置传感器，实时检测工件夹紧情况。对于粗糙的定位面，一般采用间接接触的定位结构（见图1），保证气检通过率。而对于已加工精细面，多采用带气孔的定位面接触工件（见图2）。

（2）夹紧装置：夹紧装置分固定和夹紧两部分。固定装置要结合定位基准与六点定位原则（见图3），设置固定位置与支撑形式。夹紧装置多采用液压杠杆缸、旋转复动缸进行夹紧，压点的位置多设置在支撑点几何中心或靠近中心处。实现工件XYZ方向全约束或XY方向半约束。压头多采用球头浮动、可调、快拆的方式，便于调整与更换。油缸能力的选择，需根据加工工艺与切削条件计算出最大切削力，从而选定油缸大小与夹紧结构。

切削力计算的经验公式：

切削参数：进给速度 F（mm/min）、主轴转速 V（rpm）、刀刃径 D（mm）、最大接触刃数Z、切削深度T（mm）、材料系数K（表1）、切削系数β（表1）、孔径 D（mm）、底孔径d（mm）、每刃单次进给量（mm） S=F/（V*Z）

根据经验公式，计算各工序的主切削力，选最大的切削力作为油缸选型的参考依据，考虑到刀具磨损会导致切削力增大，设计中，油缸额定压力下的夹紧力取计算值的2～3倍。

（3）对刀装置：为保证作业连贯性，精度稳定性，机床需设置刀检装置，检测断刀与刀长。常见的对刀装置分为机械按压式与激光感应式。机械式效率低，但是精度高，成本低。激光感应式效率高，但成本也较高。设置刀检吹除回路，采用吹气的形式，将可能残留在刀检面上的铁屑吹除。

（4）夹具本体：本体设计需充分考虑设备台面承重，加工范围，极限行程下是否干涉等问题。夹具本体通过圆销与设备T型槽定位，T型螺母固定。于排本体多设计有斜坡，便屑。各定位、夹紧机构采用模块化设计，方便切换和后期改造。夹具油、气路多采用内部内部回路，减少配管工作，提高夹具可靠性。本体最上方设置两处精度孔，用以测定夹具定位精度。

（5）其他元件与装置：要实现夹具的自动化，需追加液压控制系统和电控回路。油缸的运作要实现闭环控制，多采用機械式位置传感器或者油压压力传感器确定油缸动作，因为夹具工作环境有铁屑，切削液，对电磁式位置传感器存在干扰，应避免采用。对于结构特殊，易形变的工件，需采用二级调压回路，实现低压预紧，高压夹紧的功能。需追加夹具冲洗机构，加工过程冲除残留铁屑，并冷却刀具。

3  人机工程学要点

（1）设置最佳作业范围与作业姿势。工件放置的合理高度（人站立台面到抓取部位），设计在90～120cm范围内。放件距离（人站立中心到工件抓取手心）应设置在20～30cm，最大部超过40cm。两个以上工件，工件之间的直线距离在30～50cm为宜。避免弯腰作业，弯腰幅度小于10°，躯体旋转在15°～45°之间为宜。（2）人工上料载荷不宜超过最大负重范围。单手抓起不宜超过0.5kg，单手握取作业不宜超过3kg，双手握取不大于10kg。如操作重量超过此重量，需考虑机械手或辅助机构上料。（3）减少移动距离和操作动作。合理排布工程，设置中转台，减少作业者移动距离和作业负荷。同时，设计自动脱料机构，减少操作动作，降低作业强度、提高效率。（4）设置安全防护与防错装置。夹具动作与设备光栅通讯，实现光栅遮蔽时，夹具停止动作，放置意外伤害;夹具设置有单动按钮的，需要设置双手控制，并保证双手按钮的距离大于20cm。夹具应设计防错机构，通过限位或者导向的设置，实现放错工件设备无法加工的功能。（5）夹具应便于切替、保养、修理、清理。对于多工件共用夹具，应方便切替，多采用更换夹爪方式实现。同时，定位基准与油缸组件采用模块化设计，通过定位销定位。单个模块重量应小于20kg，以便于更换。夹具构造应实现设备外部的拆卸与组装，同时，各油、气路应集约设置，并铭板标识，便于检修。需要替换或易损的部品在显眼处刻印标识，方便更换。夹具应减少沟槽结构设计，且沟槽宽度不小于30mm，防止铁屑堆积，便于清理。

以上，对于夹具设计通用的要点进行简单介绍。针对不同设备、加工件，对于夹具设计会提出新的要求。但是夹具自动化、模块化的发展方向是明确的，通用机床改造所带来的效率提升是显著的，机床夹具行业的前景是光明的。

参考文献

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[3] 陈祥林.工业设计人机工程教学改革实践[J].黑龙江教育（理论与实践），2018（12）：64-65.