沈云啸 黄雅韵 陆郁

摘要：本文主要针对国外加工中心机床的夹具改造方案进行国产化的设计及关键技术进行解析，首先需要了解国外加工中心夹具设计原理，才能根据实际情况进行国产化改造，主要需在夹具材料，硬件配合、产品差异、受力分析、安装要求、成本等方面进行对比综合，才能使新增机型能在现有的加工中心机床上进行柔性化生产。

关键词：国产化;柔性化;夹具设计

中图分类号：TG75                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0079-02

0  引言

加工中心机床在大多数汽车企业成为生产发动机的主力加工设备。随着我国对于汽车的排放要求越来越高，发动机技术需要不断的进行提升，随之而来对于加工中心机床进行柔性化的改造，对于每个汽车企业都是极大的挑战。发动机是汽车的“心脏”，而发动机缸体是汽车五大部件之一，是发动机的最核心、最关键的基础零件之一在发动机技术提升过程，缸体制造也会遇到新的挑战，为了提高发动机缸体的柔性化制造、低成本改造，会在现有加工中心机床上进行适应性改造，本文主要针对国外加工中心机床的夹具改造方案进行国产化的设计及关键技术的解析。

1  夹具设计

1.1 国外加工中心夹具设计

柔性加工性能良好的加工中心机床在很多企业成为主力加工设备。为了充分发挥这些先进设备的作用，必须要有先进的工艺装备与之相配套，因此，设计和应用专用的夹具就成为这类企业的当务之急，国外加工中心厂家大部分实行自主设计+外包加工夹具，或设计及加工夹具同时外包。本文主要讨论的是四轴加工中心，夹具与加工中心机床主要靠B轴或者A轴的对应的油路/气路连接，从而实现对夹具上的液压缸，气检块等进行监控。夹具设计一般分成两类：装配式与焊接式。加工中心原厂设计使用的是焊接式夹具，则后期改造一般需要整体更换;如设计使用的的装配式夹具，则后期根据工艺排布，可只改造部分结构无需整体更换。设备的柔性则体现于此。那么国产设计及制造的夹具如何实现与国外加工中心进行装配，并能保证加工精度，设备加工能力的关键技术以下将详细说明。

1.2 国产化夹具设计

国产化的夹具需要与国外机床能够完成配合，需要保证以下几点关键参数：

①材料：与B轴接触的夹具底板需使用与原夹具相同材料;需要确认原设计的油路压力、气路压力，保证国产化的夹具油路/气路设计的最小壁厚，确保不泄露;

②定位：定位销设计需要有内部气路，实现断销检测;单个定位面设计的面积需要保证在10mm*10mm以内，并且相邻两个定位面的高度差需控制在±0.02mm;需要有工件预定位装置，避免使用零件的铸造面进行预定位，容易产生过定位的问题;

③夹紧：国产夹具的夹紧力驱动方式仍需使用液压夹紧;夹紧头需使用螺栓安装在气缸杆上，实现快速更换，提升夹具的柔性;根据改造新增机型的材料、切深、硬度等需要计算出切削力大小，并决定油缸的选型。

切削力是指在切削过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的力。切削力可以分解为：切削力（主切削力Fc）、背向力（切深抗力Fp）和进给力（进给抗力Ff）[3]。

以粗加工OP40的夹具为例，夹具如图1所示。

该工序主要为粗铣端面，刀具材料为硬质合金，切削力计算如下：

所选刀具几何参数和工艺参数：？酌0=5～8°，？琢0=6～8°，？茁=-5～20°，D=125mm，fz =0.2mm，ap=2.5mm，Z=18，B=100 mm，Cp=294，HBS=210。

将数值带入公式得：

切削力Fc=1559.1N，进给力 Ff=1403.19N，背向力Fp=857.51N

根据工件切削过程受力情况，找出在加工过程中与夹紧力对抗较大的瞬间状态，同时需要考虑乘以安全系数K作为实际所需夹紧力Wk的数值，即：

计算结果如下：

对于新设计的夹具油缸夹紧力计算如下，夹紧力是由单杆活塞液压夹紧是产生的：

式中：p1=6MPa，p2=0MPa，D=70mm，d=56mm;

液压缸的夹紧力F=8318.44N，实际夹紧力远大于通过切削力计算的夹紧力，夹具工装可靠性高。

④离线耐久验证：夹具设计完成后需要单独供应液压站和气动站，进行离线24小时的保压测试，此测试为了提前发现油路或气路窜漏问题;400次夹紧松开零件测试，此测试为了检测夹具的干涉问题与夹具选材装配耐久性。

其他：夹具需设计冲洗加工碎屑的液路，并且夹具需要有排碎屑设计。

2  夹具实施方案

2.1 焊接式夹具改造方案

改造新增机型与原机型的定位一致，但是夹紧点不同，则需要改造夹具的顶板，顶板的油缸布置夹紧点分布或者是增加辅助夹紧点，均可通过更换顶板实现，如果是新增机型与原机型高度有差异，可以通过更换长行程的油缸解决，但是整个夹具设计的高度需要考虑与机床顶部空间是否有干涉。

2.2 装配式夹具改造方案

2.2.1 A轴加工中心夹具整体改造关键技术

如改造新增机型与原机型的定位不一致，或者夹紧点位置不同，则需要整体更换夹具，新夹具设计的关键是重新排布定位块的位置，夹具的中心位置需根据加工特征及原机床的各轴行程对比，如Y轴负方向无法完成加工，则夹具中心点需要往Y轴的正方向移动相應的距离。

2.2.2 B轴加工中心夹具整体改造关键技术

如改造新增机型与原机型的夹紧点位置不同，则可以考虑更换夹紧夹头设计，但是如果外形特征变大，工件与夹紧头有干涉，则需要整体更换夹具，尽可能使用快换式夹紧头推动快速换型。部分夹具由于精度要求，无法达到则可以考虑将装配夹具改成焊接夹具，对于夹具的制造来说精度更高。

2.2.3 加工中心夹具部分改造关键技术

如改造新增机型与原机型的定位一致，则需考虑该工序的夹具侧板是否会与刀具有干涉，如果加工有干涉可以通過三个方法进行解决：①增加刀具长度，减小刀杆直径;②通过加工夹具有干涉部分材料，从而将解决干涉问题，前提是加工该部分材料后夹具油路/气路不会造成泄露;③更换该干涉的侧板，并更改原油路/气路设计，为提高成功率，油路/气路的入口及出口处位置不变，只更改油路/气路在侧板内部的加工位置。

3  经验教训

①为实现吊装需考虑夹具关键设计尺寸及吊装点。本文主要研究的是改造夹具设计，那么需要对新旧夹具进行吊装，所以夹具需要有个专用的吊装点，否则无法保证夹具的高精度。夹具的定位面需要同时设计有气检孔和切屑液孔，可以在工件定位前起到重新定位面的作用，减少装夹过程中的误报警;夹具的定位销需要有气路，并且进行充气，如果定位销断裂则气压压力下降，说明设备定位精度变差。②成本及效率差异。通过国产化夹具，成本比进口夹具降低约50%，为了保证产品的长期耐久性，建议可以选择相同的原材料进行加工，这样成功率要高得多。焊接式夹具精度易保证，但是柔性较低，装配式夹具首次投入成本较高，但是后续的改造成本低，改造工作量低。夹具投入建造后到厂时间比国外快1/3左右，现在这几类夹具均使用有1年左右，加工的过程能力均>1.33，满足改造前的设备要求。③问题及经验教训。由于新增机型与原机型加工切屑力的差异，容易造成夹紧头等关键连接部件耐久性不足，出现开裂等问题，需要重新对夹紧头进行热处理，此处对前期的受力分析要求十分精确。根据零件的工作条件，分析载荷特点和应力分布情况，掌握主要损坏形式，确定应有的力学性能指标，并从它们之间的概略关系估算出响应的硬度，重要零件还要关注金相组织等，在实际生产过程当中会有零件的加工余量波动等问题，可以通过优化参数，优化走刀路径达到减小负载的目的。

4  结束语

由于行业的快速发展，通常加工中心机床的寿命比发动机产品的寿命更长，对加工中心的柔性化设计是未来的趋势，为了使新增机型能在现有的加工中心机床上进行柔性化生产，那么在加工中心选型的初期应尽量选择X/Y/Z轴行程大的设备。其次对于液压夹具优先选择装配式夹具，改造过程可以根据工艺的排布只针对部分夹具板进行改造或更换，最次的使用焊接式夹具，需要整体更换液压夹具，也要关注新夹具与加工中心的A/B轴进行连接时的夹具板选材及加工质量，以及油路/气路所能承受的最大压力，需要考虑预留2-3倍的安全系数。

参考文献：

[1]李新水，赵建华，陈正祥，施兆伟，王廷猛，等.一种汽车发动机缸体粗加工的夹具设计与应用[A].机械设计，2019.

[2]王化清.加工中心通用液压夹具的设计与应用[B].工装设备，2018.

[3]唐宗军.机械制造基础[M].机械工业出版社，2005.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.