三工位不停车液压车夹具的数控专机改装

徐国庆

(广东鸿图科技股份有限公司，广东肇庆 526108)

图1为1.6 L乘用车发动机的出水管的车加工简图。此零件为压铸铝合金件，材料为ADC12，年产量为18万件。加工难点为轴心1、轴心2、轴心3三处位置度0.5 mm的技术要求。由于加工时是以毛坯外形定位加工，如果轴心1、轴心2、轴心3三处分工序加工，其重复定位性差，将很难达到位置度0.5 mm的技术要求。由于年产量大，分工序加工将导致效率很低，加工中也容易出现漏工序的现象，给批量生产的车间管理带来很大难度。经过零件加工工艺分析，轴心1、轴心2、轴心3相交于一点，只要以相交点垂线为回转中心，实现工件一次装夹，不停车分别加工轴心1、轴心2、轴心3，可保证加工的技术要求和效率。为实现工件一次装夹不停车分别车加工轴心1、轴心2、轴心3，需要对现有普通数控车床进行改装，并制作三工位不停车液压车夹具来实现(见图2)。根据产品加工的技术要求和改装中进行的设计计算，并结合车间具体情况，选用一台闲置的美国产HAAS SL30普通数控车床进行局部改造。三工位液压车夹具数控专机加工工件程序的流程见图3。

1 数控车床的结构及液压系统工作原理

改装选用的美国产HAAS SL30普通数控车床，最大加工能力为φ432 mm×864 mm。机床为箱型斜床身结构，确保了很好的热稳定性和高刚性，即使强力切削，也能够保证稳定的加工精度。采用对称分布的加强筋强化加固的大型主轴箱的高刚性铸铁结构，具有优良的热稳定性，确保了改装后可以承载高速旋转的专用液压车夹具，以及加工的高精度和重复定位精度。经过技术评估后，可以满足改装后工件加工的技术要求。

1.1 数控车床结构

该数控车床由主轴、主轴座、皮带轮、液压油缸、液压站、与主轴连接的过渡法兰、拉杆和液压三爪卡盘、液压尾座以及NC控制系统等组成，如图4所示。

1.2 数控车床液压系统工作原理(图5)

(1)主轴卡盘的夹紧或松开

启动机床后液压站工作，操作液压卡盘控制的两位四通脚踏换向阀－2液压控制开关。随着来自液压站的高压油，推动液压油缸－2的活塞带动与之连接在一起的拉杆动作。拉杆带动卡盘内的斜契机构使卡盘上三爪动作夹紧或松开工件，实现对工件的装夹。可调节流阀－2控制工件装夹速度的快慢，调节溢流阀－2控制工件装夹压力的大小，压力表－2用于显示观察

液压油缸－2的工作压力大小是否正常，来判断卡盘工作时的夹紧力的大小是否正常。温度调节器、冷却器－2、过滤器，用于保证液压系统在各种工况条件下，能够长期处于稳定工作中。

(2)液压尾座的夹紧或松开

启动机床后液压站工作，操作液压尾座的两位四通脚踏换向阀－1液压控制开关。随着来自液压站的高压油，推动液压尾座－1油缸的活塞带动与之连接在一起的顶尖动作，实现顶尖对工件的辅助定位。可调节流阀－1控制顶尖动作速度的快慢，调节溢流阀－1控制工件装夹压力的大小，压力表－1用于显示观察液压油缸－1的工作压力大小是否正常，来判断顶尖工作是否正常。通常调节溢流阀和压力表设置在机床正面右上角面对操作工方向的位置，方便调整和观察。

2 数控车床改装及专机液压系统工作原理

根据设计要求，三工位液压车夹具内部需要由压紧、旋转转向和旋转锁紧三个液压油缸实现设计所需要的功能。根据使用要求，将实现旋转转向和旋转锁紧功能的液压油缸，设计成共用一个液压回路，达到降低成本的目的。

2.1 数控车床改装

改装后的三工位不停车数控专机由数控系统NC控制部分、电器控制部分、液压控制部分、液压配油连接和三工位液压车夹具部分组成，如图6所示。

数控系统控制部分不做更改，借用机床自身的控制回转油缸和机床尾座的NC控制部分，实现功能设计要求。

电器控制部分起着液压控制和NC控制的连接作用。根据专机的功能要求，单独增加了电器部分。

液压控制部分因机床自带的液压控制系统不能完全满足设计使用要求，增加了部分设计的功能，包括液压站及由液压、电器控制元件组成的液压控制回路。

液压配油连接和三工位液压车夹具部分由液压油配油器、配油器连接法兰、液压连接油管、三工位液压车夹具和通过主轴中心的连接配油器和车夹具的4根不锈钢液压油管组成。

2.2 改装后的液压系统工作原理(图7)

(1)三工位液压车夹具工件的夹紧或松开

启动机床后，液压站工作，操作三工位液压车夹具工件装夹控制的两位四通手动换向阀－2液压控制开关，随着来自液压站的高压油，推动液压油缸－2的活塞及与之连接在一起的夹具压板动作，实现对工件的夹紧。当工件加工完成后，操作三工位液压车夹具工件装夹控制的两位四通手动换向阀－2液压控制开关换向，松开夹具对工件的夹紧，然后换上一个新的工件，完成一个操作循环。

单向可调节流阀－3、－4控制工件松开和装夹速度的快慢，调节溢流阀－2可以控制工件装夹压力的大小，压力表－2用于显示观察液压油缸－2的工作压力大小是否正常，温度调节器、冷却器－2、过滤器，用于保证液压系统在各种工况条件下，能够长期处于稳定工作中。当系统压力达到规定压力的时候，压力继电器－3自动接通断开电动机和液压泵的动力来源，使系统处于间歇的工作状态，达到节约能源的目的，单向阀－3使液压油只可以单向流动，蓄能器的作用为保证系统的压力稳定。

(2)三工位液压车夹具工件的工位的锁紧和转换

工件装夹完成后，启动机床程序加工。数控系统发出工件加工的M和继电器R指令，向液压元件两位四通电磁换向阀－1发出液压控制信号。随着来自液压站，经过调节溢流阀－1调节压力和单向节流阀－1调节流量的液压油，推动液压锁紧油缸的活塞定位面与定位锁紧旋转机构的定位面1可靠接触。液压油的压力达到设定的系统压力时，压力继电器－1发出信号给机床数控系统，数控车床开始加工工件第一轴。见分度机构工作原理图8步骤一。

数控车床加工完工件第一轴的位置后，数控系统向液压元件两位四通电磁换向阀－1发出液压换向控制信号，液压站的高压油通过单向可调节流阀－2调速，推动液压锁紧油缸的活塞换向，活塞松开与定位锁紧旋转机构的锁紧面。持续升高的液压油的压力通过单向溢流阀－2，液压转向油缸的活塞运动，推动定位锁紧旋转机构旋转，活塞与定位锁紧旋转机构定位面2接触时，机构完成1/2换向。见分度机构工作原理图8步骤二。

当系统内达到设定的压力时，压力继电器－2发出信号给机床数控系统，数控系统向两位四通电磁换向阀－1发出液压换向控制信号。液压站的高压油，通过单向可调节流阀－1调速，推动液压转向油缸的活塞换向，活塞松开与定位锁紧旋转机构的定位面2的压紧。持续升高的液压油的压力通过单向溢流阀－1，液压锁紧油缸的活塞运动，推动定位锁紧旋转机构旋转，活塞与定位锁紧旋转机构定位面2接触时，机构完成另外1/2换向。当系统内达到设定的压力时，压力继电器－1发出信号给机床数控系统，数控车床开始加工工件第二轴。见分度机构工作原理图8步骤三。

依次重复前面的步骤一、二、三，可实现对加工工件第三、四轴的换向和定位锁紧，并实施加工。

单向可调节流阀－1控制液压转向油缸，单向可调节流阀－2控制液压锁紧油缸的活塞运动的快慢，用以调节定位锁紧旋转机构的换向的速度的快慢。单向溢流阀－1控制液压锁紧油缸的锁紧压力，保证车加工受力时定位锁紧旋转机构及与之连接的夹具定位可靠。单向溢流阀－2控制液压转向油缸的活塞推动定位锁紧旋转机构的换向的作用力的大小。压力表－3和－4应设置于方便的位置，是观察夹具液压锁紧油缸和液压转向油缸系统内的工作压力是否正常的窗口。压力继电器－1和－2的功能是保证在液压油的压力达到设定的系统压力时，向机床数控系统发出信号，NC控制系统控制两位四通电磁换向阀－1换向，实现液压锁紧油缸和液压转向油缸的交互动作，完成对定位锁紧旋转机构的工位转换的功能操作。

3 专机的技术特点

(1)全自动数控分度卡盘，液压夹紧工件和液压分度，在高速旋转时，高刚性的液压夹紧工件，可以承受大切削量的加工。

(2)自动分度机构的设计，保证了比较高的定位精度和重复定位精度。

(3)在主轴旋转过程中数控系统进行分度操作，使多个轴之间的转换更加快速。

(4)工件夹持和分度机构由液压油控制，可以不间断地润滑，从而保持了机构工作的可靠和稳定。

(5)整个液压车夹具内部机构完全密封，可防止加工过程中冷却液、铝屑等杂质的污染。

(6)由CNC控制工件加工的位置循环和工作参数，整个过程安全可靠。

4 专机使用的注意事项

(1)在夹具调试合格后，3个工位必须做动平衡校验。

(2)工件可以在主轴旋转时分度。为了避免由于工件分度过程中，夹具重心产生的变化和重量不平衡所导致的主轴旋转振动现象，建议转速降低30% ～50%。

(3)加工调试过程中，严禁主轴转速超出设计最高转速(此专机在NC系统里进行了最高转速的设置，避免了调试者误操作超出设计最高转速的情况的发生)。

5 结语

本次机床改造历时4个月，对机床的液压系统进行了重新设计。根据工件加工要求，对机床的主轴也进行了改造，将液压回路部分延伸到夹具体内，实现比较复杂的装夹要求。改造后的专机，经过几个月批量生产加工使用，加工了约3万件产品，产品质量达到了设计要求。

［1］成大先.机械设计手册［M］：4版.北京：化学工业出版社，2002.

［2］杨叔子.机械加工工艺师手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］哈斯自动数控机械(上海)有限公司.数控车床操作手册［Z］.2005.