多工位飞锤尾部加工回转气动夹具设计与应用

储晓猛

（1.江苏高创机电制造有限公司，镇江 212013；2.江苏大学 基础工程训练中心，镇江 212013）

0 引言

飞锤是柴油机调速器（如图1所示）中不可缺少的一个零件，其作用是在柴油机工作时，根据外界负荷的变化，飞锤通过其张合角度大小的变化来调节供油量，以保持供油量与外界负荷相适应，使柴油机的转速在一定的范围内保持稳定运行，以防出现“飞车”事故或熄火现象[1]。图2是飞锤零件加工过程中的一个工序图，该工序要求飞锤尾部到小平面A的距离为18±0.15mm。尽管该工序精度要求不高，但加工数量较大，每月需生产20000余件，加工效率成为急需解决的问题。原先该工序采用传统的单件装夹方式在立式铣床上进行加工，此方法每次只能加工一件且每件飞锤加工完成后，需要关停铣床主轴，调整刀具位置，操作人员的工作量和劳动强度极大，辅助加工时间长，生产效率低，平均的切削时间仅占全部工作时间的30%左右。针对以上加工方案的劣势，我们设计并制作了一套多工位飞锤尾部加工回转气动夹具，实现了回转流水线式、批量连续不间断加工，有效解决了上述诸多问题。

图1 柴油机调速器部件图

图2 飞锤零件尾部加工工序简图

1 气动专用夹具工作原理

该多工位飞锤尾部加工回转气动夹具主要由定位部件、夹紧部件、旋转部件、气动控制部件四大部分组成，其结构如图3所示。多件飞锤零件逐一安装在定位部件上（8工位）；旋转部件带动定位部件和夹紧部件作圆周旋转运动；气动控制部件实现飞锤在A点位置处开始夹紧，飞锤随着旋转部件作旋转运动，在EF劣弧区域处，经过铣床主轴上的旋转铣刀的作用，零件被切削加工，飞锤继续随着旋转部件作旋转运动，到达B点位置处，飞锤零件开始松开，操作人员在CD劣弧区域处将加工好的飞锤取出，并安装待加工的飞锤，夹具上所有工位均重复上述运动，从而达到不停机自动夹紧与松开飞锤的回转式铣削加工效果。

图3 多工位飞锤尾部加工回转气动专用夹具

2 夹具设计及分析

2.1 定位部件设计分析

定位元件为外形是八边形的夹具座16，具有八个工位，可实现8个飞锤零件的装夹。如图2工序所示，飞锤在加工该道工序时，利用其A、B、C面作为定位的基准面，根据六点定位原理，飞锤小平面A与固定座上开设的顶面贴合，限制了飞锤的两个自由度；飞锤底面B与固定座上开设的侧面贴合，限制了飞锤的三个自由度；飞锤内腔平面C与夹具座上开设圆柱销外圆部分贴合，限制了飞锤的一个自由度，实现飞锤零件的完全定位[2]。由于飞锤结构不规则，重心不稳，为了装夹定位可靠，设计了初限位装置（限位块21），先限位后定位。

2.2 夹紧部件设计分析

为了更好地减少辅助安装时间，降低劳动强度，选用气动夹紧。夹紧部件主要由数量均为8件的气缸11、压块15、气缸连接杆13、防转座12及销14等部分组成。其中，气缸为动力装置，通过螺钉卧式安装固定在气缸支架10上；压块为夹紧元件；气缸连接杆、防转座及销为中间传力机构。将飞锤安装到夹具的定位部件某一工位上之后，该工位对应的气缸活塞向前移动，推动压板沿着防转座向前移动，从而夹紧工件；该工件加工完成后，气缸活塞带动压板向后移动，松开工件。每只气缸均采用一只两位五通电磁阀及一个行程开关进行控制，实现其对应工位飞锤自动松开及夹紧，方便操作[3]。

1）夹紧力的计算

夹紧力的大小确定主要考虑飞锤自身材质（QT600）及铣削加工时实际选择的切削用量，利用NOVEX切削计算软件，计算得出的单件飞锤理论切削力FJ为800N左右，如图4所示。在此切削力的基础上乘以安全因素K（取值3）[4]，得出的所需实际夹紧力FJ0= FJ×K=800N×3=2400N。

图4 NOVEX切削计算软件计算切削力

2）气缸的选择

根据夹紧部件结构可知，气缸使用时是利用其推力直接作为飞锤压紧的时所需的夹紧力。由气缸输出夹紧力（气缸推力）公式：

其中：F为理论气缸输出夹紧力（N），取值2400N；

P为空气压力（MPa），取值0.7MPa；

D为气缸直径（mm）；

η为气缸的力传递效率，取值0.85。

根据式(1)计算得出气缸直径D≈71.8mm，考虑到铣削过程中每个刀齿的不连续切削，作用于每个刀齿的切削力大小和方向随时都在变化，致使在铣削过程中容易产生较大的振动，此外，由于工厂所供压缩空气压力不稳定及飞锤加工余量发生变化等因素的影响，因此夹具需要足够的夹紧力。为安全起见，选择直径为80mm的气缸。

2.3 旋转部件设计分析

旋转部件主要由回转工作台1、链轮2、连接盘6、连接套7、气缸支架底座9等部分组成。螺钉自上而下依次贯穿气缸支架底座、连接套及连接盘并与回转工作台进行固定连接；定位部件及夹紧部件均通过螺钉安装固定在气缸支架底座上平面。安装在铣床工作台上电机按一定转速旋转时，通过回转工作台1上的链轮2及链条传动，带动回转工作台转动，从而最终实现定位部件夹具座的旋转运动。

图5 气动控制部件结构简图

2.4 气动控制部件设计与分析

气动控制部件主要由挡铁支架3、弧形挡铁4、行程开关5（8只）、电磁阀8（8只）、气管旋转接头18、气路分配器19、导电滑环20等部分组成，其结构如图5所示。弧形挡铁固定在挡铁支架上并通过螺钉直接固定在铣床工作台上，8只行程开关分别固定安装在气缸正下方的连接盘上，压缩空气经由旋转气管接头，通过气路分配器传至各电磁阀，并接到对应气缸的进、出气口。外部电源经由导电滑环传至安装在气缸支架底座上对应的两位五通电磁阀，实现电磁阀通电作用。当某一工位的行程开关旋转到挡铁A点位置后，与该工位对应的电磁阀开始动作，从而控制其所对应的气缸活塞带动压板向前移动，该工位上的飞锤零件开始夹紧；当该工位上的行程开关旋转到挡铁B点位置后，与其对应的电磁阀又开始工作，气缸活塞带动压板向后前移动，该工位上的飞锤零件开始松开。CD劣弧位置为装夹区域；EF劣弧位置为铣削加工区域。

3 结论

使用结果表明该多工位飞锤尾部加工回转气动夹具满足飞锤尾部铣削加工的设计要求，实现了不停机自动夹紧与松开飞锤零件的铣削加工效果，达到了回转流水线式、批量连续不间断加工的目的。该夹具结构简单，方便实用，有效地减少了辅助时间，提高了生产效率，同时也使零件质量得到保证，减轻了操作者的劳动强度，相信在日后的加工生产中，不断地加以改进，定能取得更大的效果。

参考文献：

[1]储晓猛.飞锤V型槽加工气动夹具设计与应用[J].工具技术,2014(10):72-73.

[2]王茂元.机械制造技术基础[M].机械工业出版社,2007.

[3]梁伟杰.多工位阀芯加工气动夹具设计[J].内燃机与配件,2017(3):51-52.

[4]刘俊成.机床夹具在设计过程中夹紧力的计算[J].工具技术,2007(6):89-90.

[5]徐灏.新编机械设计师手册（下册）[M].机械工业出版社,1995.