摘要：根据某零件的工艺需求，设计出高效的气动弹性外圆夹具。在夹具设计中采用了定心夹紧机构。论文中详细介绍了该夹具的具体结构及工作原理，以及夹具设计、加工中的难点突破，为夹具的设计及夹具零件的加工提供丰富的素材。
Abstract: According to the process requirements of a particular part, this paper designs the cylindrical fixture aeroelastic with high efficiency and uses design-centering clamping mechanism indesign. This paper describes in detail the specific structure and principleof the fixture, and difficulties breakthrough in fixture design and processing, which provides a wealth of materia for the fixture design and machining fixture.
关键词：定心夹紧机构；弹性夹头；气动夹具
Key words: design-centering clamping mechanism；elastic chuck；pneumatic clamps
中图分类号：F273 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）04-0055-02
0引言
夹具是工艺装备的主要组成部分，很大程度上影响着机械产品的质量、生产率及生产成本。机械行业国内外市场竞争的日趋激烈，以及数控机床和加工中心的普遍使用，快速工装准备显得尤为关键。使用夹具可以提高工件的加工精度并保证零件的互换性，提高劳动生产率；同时可以降低劳动强度，改善工人的劳动条件；使用夹具还可以扩大现有机床的应用范围，充分利用现有的设备资源。由于市场的竞争越来越激烈，产品推向市场的周期越来越短，产品更新换代的速度越来越快，因此必须在最短的时间内设计并制造出结构简单、夹紧点固定、夹紧力可靠、能减少工人的劳动强度和人为因素的不稳定性的夹具。图1为某工厂需要生产的零件，需要加工的部位为外圆面Φ104，右端面，内孔Φ72，内孔Φ72与外圆面Φ122有同轴度要求。该零件全长558mm，很难在车床上直接用三爪直接夹持Φ122外圆面进行加工，必须针对该零件的具体外形以及工艺需求设计专用的夹具，实现零件的准确、快速、有效夹持，满足成批生产的需要。
在该专用夹具的设计中采用了定心夹紧机构。定心夹紧机构是机床中的一种特殊夹紧机构，它是在实现准确定心或对中的同时夹紧工件的，其中与工件定位基准相接触的元件既是定位元件，又是夹紧元件。虽然弹性夹头的结构尺寸大都已经标准化，但本夹具采用气动夹紧，所以整个夹具的结构及其中零件的结构都有特殊性，具有参考价值。
1夹具的工作原理
图2所示即为针对该零件的加工要求设计的气动弹性外圆夹具。图中3为夹具基体，通过螺栓与车床主轴卡盘相连；图中9为夹具的弹性夹头，是与工件Φ122外圆面直接接触的元件，既是定位元件，又是夹紧元件。弹性夹头9通过螺纹与活动圈4相连，通过气缸控制拉杆1运动，带动活动圈4与夹爪9在基体内作直线运动。当其向左边运动时，带锥面的压环12与弹性夹头9的锥面相配合迫使夹爪收缩，实现对工件的Φ122外圆面的夹紧；反向运动则实现对工件的放松。该夹具通体比较长，加上被夹持的零件，仅用螺栓固定在机床主轴卡盘上是不够的，容易产生附加弯矩而变形，在使用中还要在基体外加装支持环。
2相关的设计计算
2.1 活塞式气缸的输出拉力F’的计算[1]工艺人员编制的工艺规程中使用的气缸：缸径D=250mm，行程s=30mm，生产中气缸工作压力p=0.5～0.6MPa
D=1.3 F′=p=×（0.6×10）=22189N
当D≥0.1m时，气缸的机械效率η＝0.8～0.9，则实际的气缸输出拉力F’=22189÷0.8=27736N
2.2 夹爪的变形阻力R的计算[1]
R=K=400×=157.074（N）
式中：R为夹爪的变形阻力（N）；D为夹头弯曲部分的外径（mm）；h为夹爪弯曲部分的厚度（mm）；Δ为夹爪与工件的径向间隙（mm）；l为夹爪的根部至锥面中点的距离（mm）；K为系数。
由图纸设计知h=3.5mm，D=139mm，l=297mm，Δ＝123-122=1mm。
2.3 弹性夹头总的径向夹紧力W的计算[1]
W=-R=-157.074=82736（N）
式中：W为总的径向夹紧力（N）；Q为轴向作用力（N）；α为弹性夹爪锥角之半（°）；φ1为夹爪与套筒间的摩擦角（°）。
由设计图纸知α＝9.5°，φ1＝9°，Q＝F’＝27736N
2.4 切削力的计算工件材料35CrMnSi；刀具材料YT15；主偏角φ＝30°
2.4.1 圆周切削分力Fc的计算[2]
Fc=2943apf0.75vc-0.15Kp
=29430.750.30.75103.306-0.151.019=454.86（N）
Fc为圆周切削分力（N）；ap为背吃刀量（mm）；f为每转进给量（mm）；vc为切削速度（m/min）；Kp为修正系数。
其中由工艺员编定：ap＝0.75mm；f=0.3mm；机床主轴的转速N=350r/min。
切削线速度vc=πDN=3.140.094350=103.306（m/min）
K=KKKKK=1.081.11.01.0=1.019
2.4.2 径向切削分力Fp的计算[2]：
Fp=2383apf0.75vc-0.15Kp
=23830.750.90.30.6103.306-0.31.38=306.615（N）
其中：K=KKKKK
=1.31.41.01.0=1.38
2.4.3 轴向切削分力Ff的计算[2]：
Ff=2326apf0.5vc-0.4Kp
=33260.750.30.5103.306-0.40.89=190.232（N）其中：
K=KKKKK=0.781.41.01.0=0.89
根据以上计算，弹性夹头径向夹紧力W=82736N＞工件所受径向切削分力Fp＝306.615N。夹具轴向作用力Q=27736N＞工件所受轴向切削分力Ff=190.232N。
3该夹具设计和加工中的一些难点突破
问题1如何保证零件加工过程中轴线不变形
该零件的全长558mm，被夹持的Φ122外圆面距离零件左端面有360mm左右，如果只靠夹爪对零件轴线方向45mm长的一段外圆面夹持，零件比较长，质量又比较大，整个零件容易出现轴线变形，不能保证图纸上所要求的同轴度。所以在夹具的中部安置了一根支撑杆8，在撑杆10的前端加工出一段长为30mm，直径为Φ45mm的一段外圆面，作为与零件内孔Φ45mm相配合的一段支撑面，作为整个零件的另外一个支承点，减小轴线的变形。
在支承杆的右端打出螺纹孔，旋入一根支承螺钉10，用以调节支撑杆所需的长度，然后用螺母11锁紧。放置工件时，可方便地将工件的内孔对准支撑杆并沿着支撑杆送入夹具中部，直到工件底部轻轻接触到支撑杆，即可控制拉杆1夹紧工件，减少工人安置工件时位置的调整时间，实现工件的快捷安放。
问题2如何实现固定不动的支承杆的安放以及活动圈的运动
由于支撑杆８是固定不动的，而且必须放置在整个夹具的中心位置，所以必须设计一个固定不动的定位座来安放支撑杆。因此在基体内设计一个固定不动的定位座5，该定位座通过螺钉固定在基体上，同时配以紧定螺钉实现在基体内的固定不动。该定位座的中部加工出M30的螺纹孔以固定支承杆8。
但是夹爪必须能够左右移动，所以必须设计一个既可以联接气缸主轴，又可以联接夹爪的同时又可以在基体内左右移动的活动零件，而这个活动零件又必须穿越定位座来联接穿越机床主轴孔的气缸轴。因此将定位座设计成如图4所示的外伸三爪形状，爪宽32mm。而在活动圈外圆相差120度加工出三个宽35mm的槽，这样定位座的32mm宽的夹爪就可以嵌在活动圈的35mm宽的槽内，从而在定位座不动的情况下，活动圈穿越固定不动的定位座在基体内实现左右运动，这样才可以带动弹性夹爪实现对零件的夹紧与放松。这个结构是整个结构中最为巧妙的部分。
问题3如何实现夹爪的加工
将夹爪设计成如图5所示，开出6个均布的长槽，使得夹爪的终端可以收紧，从而将工件夹紧。夹爪的终端设计成19度的外圆锥面，与压环14的内圆锥面配合，实现夹爪终端的收紧。由于夹爪的外圆锥面要在磨床上加工到表面粗糙度为0.8，在加工时不能将六个均布的细长槽全部切断后上磨床磨削，在加工工艺上要保留完整的夹爪外锥面，在磨床上加工好外圆锥面后再按照图纸将六个细长槽全部切断，形成可收缩的夹爪。在使用中工件安放准确，不需花时间找正；气动控制夹爪对工件的夹紧快速，稳固，生产效率明显提高，工人的劳动强度明显降低，使用效果令人满意。
参考文献：
[1]《金属机械加工工艺人员手册》增订组编.金属机械加工工艺人员手册[M].上海科学技术出版社，1997年1月.
[2]王光斗，王春福主编.机床夹具设计手册.上海科学技术出版社，2000.h