数控铣加工的装夹方式

摘 要：简要探讨了数控铣加工时常见的虎钳、卡盘和压板等装夹方式及特性,并提出了使用工艺补块和组合加工等工艺设计的装夹方式,举例阐述了其在数控加工工艺设计时的重要性性.

关 键 词：数控铣、装夹方式、工艺补块、组合加工

引言

随着数控机床的广泛普及,现代数控加工对加工精度和加工效率都提出了越来越高的要求,而数控加工时工件的装夹方式不但影响产品的尺寸和形位精度以及加工效率,同时决定了工序中的零件几何形状,对产品质量、生产效益都有很大的影响.选择合适的装夹方式,既可以保证加工质量稳定性,又能提高加工效率,缩短生产周期,所以装夹方式是我们数控加工时优先考虑的工艺问题.

1.数控铣加工对工件装夹的要求

工件的装夹方式是制定数控加工方案首要考虑的问题,在确定装夹方案时应根据已选定的加工表面和定位基准确定工件的定位装夹方式,一般考虑以下几点：

1.1.夹紧装置不得影响刀具的进给,工件的加工部位要敞开.

1.2.必须保证最小的夹紧变形,保证零件的精度.在机械加工中,如果切削力大,需要的夹紧力也大,要防止工件夹压变形而影响加工精度.应使夹紧力作用点通过或靠近支承点,避免把夹紧力作用在工件的中空区域.

1.3.对小型零件且单个工序时间不长的零件的加工,应尽可能考虑成组下料或工作台上一次同时装夹几件、几十件进行加工,可有效缩短单件的装夹辅助时间,提高效率.

1.4.要求夹具装卸工件方便.装夹工件的辅助时间对加工效率影响较大,所以要求配套夹具装卸工件时间短而且定位可靠.批量较大时应尽可能使用气动、液压和电动等自动夹紧装置实现快速夹紧.

2.常用的几种装夹方式

2.1.虎钳装夹

这种装夹方式是数控铣中最简单、最方便、最经济的装夹方式之一.夹持深度最低要求铝件一般为1.5～2mm,钢件一般为2.5～3mm.若夹持深度太小,本道工序零件加工时,零件会因为夹持力不够而在加工过程中产生零件移动,轻者零件报废,重者发生安全事故.对于易变形的零件,粗加工时夹紧力可适当大些；精加工前为防止零件装夹变形,需要调整虎钳夹持力量.为了使定位基准和设计基准、工艺基准重合,达到快速装夹定位的目的,可安装软钳口,加工前一般将软钳口粗铣、精铣一刀,以保证加工过的钳口夹持部分对机床的一个轴的平行度和对机床另外两个轴的垂直度.

虎钳装夹具有快捷性的优点,但夹持范围局限于虎钳的开口大小.由于虎钳成本低,通用性强,故使用广泛,尤其是在小批量多品种的生产模式中较为常见.

2.2.三爪定心卡盘装夹

三爪定心卡盘装夹也是比较常见的装夹方式,这种装夹方式一般出现在零件的毛坯是棒料,卡盘夹持棒料底部,加工上部.采用卡盘直接装夹时要求装夹深度至少超过硬爪一个缺口（约5-8mm）,最好是两个（约10-15mm）,需要控制夹持深度、夹紧力等与操作安全性和变形大小等一系列因素.为保证零件的加工精度,可采用软爪装夹,同时能起到避免夹伤零件的作用.

卡盘装夹同样具有快捷性的优点,特别是精度要求不是太高时,只需要首件找正工件原点,接下来零件的加工只需按照上次找正的原点既可以直接加工,减少了辅助对刀的时间.其使用范围不受批量大小的限制,但由于卡盘的开口大小局限决定了其夹持范围不大.

2.3.压板装夹

压板装夹可也说是加工中心上最常见的装夹方式之一,一些尺寸比较大的零件由于虎钳装夹尺寸范围受限,而多采用压板装夹,同时压板装夹也可以避免采用虎钳等装夹产生的变形现象,如薄壁、薄板等零件较适合压板装夹.压板装夹需要一定的技巧,当精加工时需先加工出基准面,同时注意压板（或螺钉）安装位置的选择,编程时注意刀具避让,防止碰撞夹具.视情况需要采用增加铜箔等材料防止压伤零件已加工部位,同时还注意压板的交替搭接,并防止此过程中出现工件位置跑动.

这种装夹方式的夹具制造成本低,周期短,结构简单,适用范围广,加工中最常见.但这种装夹方法装夹时间较长,零件加工完一个面通常需要两次装夹才能完成,技巧性较高,夹紧力要适当以防止零件变形.

除了上述三种常见的装夹方式外还有许多其它装夹方式,比如方箱装夹,分度头（第四轴）装夹,专用工装装夹等,这类装夹方式比较特殊,需要具体情况具体分析,不再一一论述.

3.工件装夹的新发展方向

随着先进数控装备的不断普及,特别是昂贵的高档数控装备的大量使用,生产成本投入加大,对数控加工效率愈发重视,许多新的工艺方法尤其是装夹技术正不断被应用,装夹时借助工艺补块以及成组加工方法在实际生产中正越来越多的被应用.

3.1.工艺补块的运用

工艺补块是在工件加工过程中起着装夹、定位和对刀时试切等作用,而在零件加工完之前的相应工序中被保留着的工件部位以外材料.工艺补块与工件之间靠筋条等方式连接,从而保证加工过程中工件的固定,这样就可以变复杂工件的装夹为形状较为规则的工艺补块部位的装夹,省去了设计专用工装的必要性,将工件装夹简化为虎钳装夹、压板或螺栓等常用方式装夹,大大降低了工件的装夹、定位、找正、对刀等难度,减少了辅助工作时间,提高了加工效率.采用这种方式装夹的零件加工精度会更好,这因为夹紧力未直接作用到工件上,同时工件在加工过程中处于最大程度的放松状态下,应力释放较为完全,故加工后的零件变形很小,这样就省去了去应力时效的工序,缩短了工艺路线.需要指出的是这种装夹方式的材料利用率会降低,但是采用组合加工方法,即在一个毛坯上将多个工件进行排列优化,一次加工出多个零件会使单个零件的材料利用率得到提高,相应抵消这种劣势.另一方面需要注意的是控制精加工时的切屑量,以减少切削力对零件造成的变形.

工艺补块的使用更多出现在铝合金、镁合金等材料的轻切削加工中,尤其适合高速铣的加工,但是随着技术的进步在如钛合金这样难加工材料的加工中也显现了用工艺补块装夹的优势.图1“侧盖”零件三维示意图

图2“侧盖”零件数铣工序工艺附图

图1所示为某“侧盖”,其壁薄,外形不规则,虎钳无法直接装夹,而采用压板装夹比较繁琐,这是因为工件外形决定了其找正有难度,而且完成一个面的加工需要压板多次装夹.而采用工艺补块后的效果可参看图2所示的工序工艺附图,工件采用虎钳装夹,装夹找正非常方便,一次装夹可完成该面上所有尺寸的加工.接下来线切割工序沿轮廓一周即可完成零件的加工.该方法在实际生产中取得了很好的效果.

3.2.组合加工工艺设计

如果说成组工艺是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族（组）,按零件族制定工艺进行加工,那么我们暂且将一种零件,按照多个数量组合起来下料并进行加工的工艺方法称作组合工艺（或组合加工）.实际生产中经常遇到一些零件尺寸较小,单个工序加工时间较短的工件,实际生产时会出现多次装夹找正、换刀等造成零件加工的辅助工时占整个生产工时的比重很高,这样就会使数控机床的实际利用率提高不上去,生产效率较低；同时对于精度要求较高的零件多次装夹找正,造成的误差叠加会最终影响零件的加工精度且同一批次加工出来的零件尺寸一致性也不好控制.编制工艺时考虑组合加工工艺设计可以很好解决上述问题.

图3所示“壳体”非常小,零件每个方向的最大轮廓尺寸都在10mm以下,但是零件的公差要求又较高,对于这样的零件装夹找正都很困难,单件加工的效率很低,尺寸精度及一致性也不好保证.但如果考虑选用棒料做毛坯,分度头（第四轴）卡盘装夹,尾座顶锥顶紧,这样一次装夹完成了四个面的加工,且可以一次加工多个零件（参见图4）,后续用线切割将工件切割成单个零件.很显然采用组合加工工艺后减少了装夹找正和换刀等辅助工时,使生产效率得以提高,另一方面零件的加工精度和尺寸一致性都得到了很好的保证,同时提高了材料利用率.

图3某“壳体”零件外形图图4“壳体”组合加工工艺设计图

4.结束语

随着数控加工技术的快速发展,单件零件的加工工时和生产成本竞争的日趋激烈,对数控加工的质量和效率也愈发重视,而数控加工中装夹方式的选择尤为重要,好的装夹方式可以提高产品加工的品质和缩短加工周期,大大提高产品质量和加工效率,能达到事半功倍的效果,作为数控加工的工艺人员一定要重视对装夹方式的选择,这是进行工艺设计时要优先考虑的问题.