模块化气动夹具的特性分析与设计

传统小型回转类薄壁零件的加工，常采用三爪自定心卡盘直接夹紧或通过衬套夹紧，这种装夹方式已满足不了现代化生产的需求。而使用多工位的模块化气动夹具可以降低生产成本及劳动强度。

薄壁类小型回转零件

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

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

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。

模块化气动夹具设计

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，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，使滑块在夹具体内上下运动。d簧夹头固定在夹具体上，通过手动球阀控制进泄气推动滑块与d簧夹头锥面配合从而实现零件的夹紧与松开。

图4 夹具结构

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。因此，此类零件的夹紧可以采用通用型夹具。d簧夹头（图5）夹紧精度较高，零件受力均匀，不易产生变形，适用于小型回转结构件的装夹。

图5 d簧夹头

利用自身的螺纹部分直接联接在夹具体上，在更换d簧夹头时不需拆卸其他部件；装夹零件时可根据零件外圆直径大小，选用相应d簧夹头；在d簧夹头内部安装轴向定位装置可以有效避免零件轴向浮动；夹具夹持力大小可通过改变气源压力或更换气缸型号进行调整。

3）夹持力分析

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

图6 d簧夹头受力情况

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

θ：夹头半锥角 μ2 ：夹头与工件的摩擦因数

摩擦力f3的计算公式为：

μ1：夹头与外夹套的摩擦因数

作用在d簧夹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：

ｐ：输入气缸的气体压强 ｄ：气缸活塞直径

通过计算，可以计算出气缸的直径，从而确定气缸的选型。

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，需要夹持Φ11外圆，由于零件加持部位壁厚为1mm，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（见图7）。

图7 三爪自定心卡盘夹具加工零件

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，应用该模块化气动夹具（见图8）后，加工表面有了明显的改善（见图9）。

图8 模块化气动夹具

图9 模块化气动夹具加工零件

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2min。应用模块化气动夹具后，无需校正坐标系，单件装夹 时间 t≤5s，降低了工人劳动强度，且加工过程装夹稳定，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。

以上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10），进一步提高生产效率。

图10 多工位模块化气动夹具

模块化快换夹具也将是多品种、小批量制造企业夹具的发展趋势。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，综合效率提升非常可观。

责任编辑：gt