在大型数控车床上加工深孔类零件的夹紧和定位装置.docx

在大型数控车床上加工深孔类零件的
夹紧和定位装置
南京数控机床有限公司 宋紫薇
江苏省南京市天元西路167号 211100

摘 要： 为解决细长深孔类零件的加工问题，设计了一种在大型数控车床加工大长径的深孔类零件的夹紧和定位装置，所加工的零件可以大部分放入主轴孔内，零件的一端用卡盘夹紧，另一端由定位装置顶紧，使工件加工时不会产生振动。

关键词：深孔加工、集动力和夹紧于一体的卡盘、双作用无杆气缸、定位送料装置。

随着数控车床在各种机械行业中的应用越来越广泛，用户对数控车床的加工能力和加工范围的要求也越来越高。机床的生产厂家不仅要提高主机的性能和精度，还要向用户提供可靠方便的工装夹具，以保证用户加工出合格的零件。
在应用大型数控车床的用户中，常常面临着细长深孔类零件的装夹和定位问题。这类零件的特点是：长径比较大，需要镗孔尺寸长，外圆内孔同心度要求高、长度尺寸公差较小。对这类零件通常采用的夹持方法是用三爪卡盘夹持一端，另一端用中心架作辅助支承。但在使用中发现，这种夹持方式会因为中心架与主轴同轴度的误差而影响到零件的加工精度，而且中心架是三滚轮支承，镗孔和车螺纹时容易产生振动。此外还有一些特殊外形，特殊加工要求的零件，就无法使用中心架。通过对此类零件的特点、加工工艺的分析，设计了一种加工细长深孔类零件的夹紧定位装置。
1、定位装置的结构：
夹紧定位装置采用集动力和夹紧于一体的卡盘夹持零件一端，将零件大部分放入主轴孔内，零件进入主轴孔内的另一端用定位碗定心，定位杆刚性定位。定位碗、定位杆分别与气缸连接，用气缸作动力源，顶紧零件，以保证零件在切削时不产生振动。定位和支承部分由双作用气缸控制。夹紧和定位装置结构如图1所示。

图1 夹紧定位装置（卡盘松开，工件退出状态）
图中：1.液压缓冲器 2.无杆气缸 3.定位杆 4.长套 5.机床主轴
6.定心套 7.卡盘 8.定位碗 9.刀架 10.送料器
11.定位块 12.导向带 13.无杆气缸 14.支承套

整个夹紧定位装置分为四大部分，分别是：夹持工件的集动力和夹紧于一体的卡盘，用来径向定心的定位碗组件和用来轴向定位的定位杆组件；提供动力源的无杆气缸和行程控制装置；刀架上的送料器组件。
（1）夹紧部分。夹持工件的部分没有选用常用的液压卡盘，而是设计了一种大行程的动力卡盘。这种卡盘集动力和夹紧为一体，用气源作动力。它的通孔直径较大。为定位送料装置提供了较大的空间。这种卡盘的卡爪行程大，能够夹持有特殊形状的零件。如外形呈弧形零件，切削时需将大端放入主轴孔内夹持小端。
（2）定位碗、定位杆组件。这套组件分为内外二层。外层的定位碗组件由定位碗8、定心套6、气缸2等组成。需加工的工件放入机床主轴5孔内后（如图2），工件后端与定位碗8接触，切削时卡盘夹紧工件前端，气缸2向前用定位碗顶紧工件后端（定心套6、定位碗8、长套4、定位块11与工件同步旋转）。在镗深孔、车孔口螺纹及切削负荷较大的情况下，因零件被顶紧而不会产生振动。起缸套作用的长套4在卡盘前端和主轴孔内都有高精度的配合面，而定心套6与长套4之间用耐磨复合材料的导向带12定心，因此定心套与主轴的同轴度很好，保证了工件的夹持精度高，支承刚度好。
内层的定位杆组件由定位杆3、定位块11、气缸13和支承套14组成。定位杆组件在气缸13的推动下，在定位套6的孔内移动，定位块11可以根据工件的尺寸要求挡住后端面或沉孔内的台阶面。定位碗8和定位块11可以根据加工零件形状更换。
（3）动力源气缸部分。气缸选用的是机械接触式无杆气缸，此种气缸内部带有导轨可以直接将负载安装在滑座上，使得装配方便，结构紧凑。气缸两端装有带液压缓冲器的气缸行程挡块，缓冲器可以吸收定位时的冲击力。行程挡块的位置可根据加工零件的长度要求任意调节。
（4）刀架送料器。在刀架上装有送料器组件10，上料时将工件放在送料器10的二根托料杆和定位碗8上，然后刀架前进，定位碗、定位杆组件由刀架推着工件同步后退，将工件送进机床主轴孔内至气缸13上的刚性定位的位置。当到达气缸的定位位置时，气缸上的磁性开关发信，卡盘将零件夹紧。

图2 夹紧定位装置（卡盘夹紧，工件在加工状态）

2、定位装置的动作顺序：
（1）气缸2、13前进，推动定位碗定位杆组件伸出至所需位置（气缸有定位）。
（2）将工件放在定位碗和刀架的送料器的托料杆上。
（3）控制气缸的电磁阀至中间位置卸荷（以方便工件送入机床主轴时无阻力）。
（4）刀架前进，刀架送料器和定位碗组件配合将工件送入机床主轴孔内，至内层定位杆的刚性定位处（气缸有刚性定位挡块限位）。
（5）卡盘夹紧工件。
（6）气缸2向前，定位碗顶紧工件后端。
（7）机床主轴旋转加工工件。
（8）加工完毕，刀架送料器向前接住零件后松开卡盘，刀架向后退的同时气缸13向前进，将工件从机床主轴内孔顶出后人工卸下工件（这样工件内孔的铁屑不会落入主轴内孔的长套4内）。
3、定位装置控制原理
本装置除上下料需人工操作外，其余动作都可以由程序控制，其控制原理如下：
程序等待手动上料—→程序控制，控制气缸2、13的电磁阀中位卸荷；刀架前进—→工件至定位位置，气缸13上磁性开关发信号—→动力卡盘夹紧，无触点开关发信—→机床主轴旋转—→按加工程序加工零件至尺寸—→机床主轴停转—→刀架向前接住工件，卡盘松开，无触点开关发信号—→气缸电磁阀换位—→气缸向前，刀架后退—→程序等待，手动下料。
4、实际应用效果
本夹紧定位装置在工件镗孔和孔口加工时后端一直顶紧，起着很好的辅助支承作用。装置中的定位碗8和定位块11的更换方便快捷，可以适用多种零件的加工，扩大了机床的使用范围。该定位装置已制造并在多家用户投入使用。从使用情况看，各项性能指标均达到用户的使用要求，解决了长轴类镗深孔的加工问题。这种夹紧定位装置尤其适合批量较大零件的生产，装夹方便定位准确可靠，可大大减轻操作人员的劳动强度。

作者简介：宋紫薇，女，1960年出生，江苏南京人，高级工程师，就职于南京数控机床有限公司技术开发部，担任机械设计室主任。常年从事数控机床的设计工作。2002年其担任主任设计员的产品CK1463车削单元荣获江苏省科技进步一等奖；2006年被授予“南京市劳动模范”称号。单位地址：南京市天元西路167号，邮编：211100；Email：KFB@；办公室电话：[phone]。南京机械工程协会个人会员：21832。