如何設計異形工件專用夾具？

在產品加工過程中，經常會出現一些不規則的零件。對於異形零件，應採用專用的夾具才能滿足銑削加工的需要。專用夾具是僅僅適用於某一工件的一道或數道工序的加工而專門設計的夾具。

關於在生產中如何設計專用的夾具來解決各種類型不規則零件定位夾持的實際問題，從而提高生產效率，以下是一些設計思路。

異形工件的定位案例

針對形狀特殊、難以裝夾定位的異形工件，為滿足銑削加工過程中高精度、低磨損、易於安裝的要求，提出了一種新型的定位方案。該定位裝置可以有效降低對工件定位面的磨損，保障機床的加工精度，其結構簡單，可降低裝配、調試人員的勞動強度。

（圖1 被加工工件）

被加工零件資料

材料：B 級鋼

質量：360kg

硬度：137 ～ 208HBW

要求：對6個面進行粗銑加工。加工後保證粗糙度為50μm，1、2 面距離為( 184 + 10)mm，對6面的垂直度為0. 5mm，3、4 面距離為(184+10） mm，對5面的垂直度為0. 5mm，5面對6面的平行度為0. 5mm。

分析思路

該工件外形類似於牛角，中間有口字方洞。根據客戶要求，要設計一臺專用機床對該工件的1 ～ 6面進行銑削加工。鑑於工件的不規則形狀及毛坯情況，選擇A面作為定位基面。但A面在工件內部，給定位設計帶來了困擾：如果工件從機床正上方上料，即A面直接落到定位裝置上，則在定位機構設計時既要給工件定位又要避開工件底部橫樑，以免發生干涉，導致定位裝置設計較繁瑣，甚至無法實現；如果工件從機床側面上料，即將工件從機床的一側橫向推入定位裝置上，則工件定位面容易磨損，會影響機床的加工精度，難以滿足客戶的要求。

基於以上兩點考慮，設計了一種可以擺起的定位裝置。即將工件從機床正上方上料，當確認有料後，定位裝置穿過工件的口子方洞擺起，直接給工件A面定位，這樣，定位裝置既不會與工件干涉，又降低對A面的磨損，並且結構簡單，定位可靠。

圖2 定位抬起裝置簡圖( 工件定位狀態)

1-軸承左端蓋 2-角接觸球軸承 3-軸向定位螺釘 4-迴轉軸 5-軸承右端蓋 6-旋轉託板 7-支架 8-定位滾子 9-楔塊 10-定位調整釘 11-楔形活塞桿 12-擋鐵 13-液壓缸 14-迴轉軸支架 15-支座

異形工件車床裝夾思路

異形工件的加工方法通常有三種：

1、四爪卡盤裝夾加工異形工件

在車床上使用四爪卡盤裝夾工件，然後使用百分表對工件進行單件找正，再進行加工。

它的缺點很明顯，加工過程中，當一個工件的一道工序加工完成後，加工下一個工件的同一道工序還需要重新裝夾，再用百分表進行找正，導致加工效率低下，浪費很多的時間。

2、用三爪自定心卡盤進行裝夾異形工件

使用三爪自定心卡盤進行裝夾異形工件，將工件固定在卡盤上後使用百分表找正。

但因卡爪是同步運行，所以只能根據百分表測量情況在卡爪位置加墊片的方法進行找正（要單獨製作標準墊塊）。這會造成工件的加工精度不高，而且該方法只能加工簡單的異形工件。

3、花盤進行加工異形工件

使用花盤進行加工，一般比較複雜的工件才會使用花盤裝夾工件，而工件的裝夾找正方式和四爪卡盤基本相同，但由於工件較複雜，裝卡較困難，所以找正的時間會比較長，使得采用花盤加工的效率同樣很低。

而本文介紹了直接用車床上的三爪自定心卡盤進行裝夾異形工件，在卡盤上裝夾外套和滿足異形工件的內套，一次裝卡到位，不用找正，從而為批量加工異形工件節約大量時間，提高勞動效率。文中所提出的採用三爪自定心卡盤上裝夾複雜異形工件的夾具（圖3 所示）。

圖3 三爪自定心卡盤結構示意（1）

此夾具分為三部分，這三部分分別固定在三個卡爪當這三部分閉合時，異形工件裝夾夾具的裝夾孔與所加工異形工件的裝夾面相匹配。其中異形工件裝夾夾具（包括夾具外套和夾具芯）的夾具外套安裝在卡爪上，夾具芯安裝在夾具外套上，並設置有裝夾孔。

其中夾具外套為圓環型，並設置有夾具芯安裝面。而夾具芯為圓環型，中間的孔為裝夾孔。夾具外套與卡爪通過連接螺栓聯接固定，而且夾具芯與夾具外套通過連接螺栓。採用本方法加工時不需要進行裝夾找正，能夠根據異形工件的形狀自動定位找正，大大縮短了加工時的輔助時間，降低了裝夾時的累計誤差，提高了加工精度和勞動效率，可廣泛用於大批量的異形工件的加工，並且根據不同形狀的異形工件，可使用不同規格的夾具芯。詳細說明如下：

圖4 結構示意圖（2）

如圖4所示，該夾具分為三個部分，三爪自定心卡盤、夾具外套和夾具芯。將夾具外套等分成三塊，用螺栓聯接在卡盤的三個卡爪上；夾具芯也等分成三塊，聯接在夾具外套上，夾具芯組合後，中間孔的形狀就是異形工件的外形，加工夾具芯時要保證異形工件的迴轉中心與夾具芯的圓心重合。當這三部分閉合時，異形工件裝夾夾具的裝夾孔與所加工異形工件的裝夾面相適配。異形工件裝夾夾具的這三部分與三爪自定心卡盤上的三個卡爪分別連接成為一個整體，在卡爪移動時能與卡爪同步運動，達到自動定心的效果。

在加工工件時，把異形工件夾具外套安裝到三爪自定心卡盤的卡爪上，把夾具芯用螺栓固定在夾具外套上，再把工件裝夾到裝夾孔中，然後使用卡盤夾緊，這樣工件就能自動定位找正，使用該裝置加工時不需要重複進行找正，能夠根據異形工件的形狀自動定位找正，大大縮短了加工時的輔助時間，降低了裝夾時的累計誤差，提高了加工精度和勞動效率，是普通加工方法的三倍以上，可廣泛用於大批量的異形工件的加工。

所述的異形工件裝夾夾具包括夾具外套和夾具芯，夾具外套安裝在卡爪上，夾具芯安裝在夾具外套上，並設置有裝夾孔。夾具芯可以根據異型工件的特殊性設計出不同形狀的裝夾孔，而且夾具芯可以拆卸，根據不同的工件，可以更換不同的夾具芯。

圖5 結構示意圖（3）

如圖5所示，夾具外套為圓環型，並設置有夾具芯安裝面。夾具芯為圓環型，環芯為裝夾孔。夾具外套通過外圓環面定位，用沉頭螺栓安裝在卡爪上，夾具芯安裝面用於夾具芯的安裝和定位，而且圓環型容易加工，能更好的控制異形工件裝夾具的加工精度。夾具外套和卡爪上設置有相對應的螺栓孔，夾具外套與卡爪通過螺栓孔利用螺栓聯接，而且夾具外套的夾具芯安裝面與夾具芯也設置有相對應的螺栓孔，夾具芯與夾具外套通過螺栓孔利用螺栓聯接。通過這種螺栓連接方式，對於磨損嚴重達不到要求的夾具芯可以拆卸，更換十分方便，還可以根據不同的異型工件，更換不同的夾具芯。

異形工件虎鉗夾持思路

在平時的生產中，用的最多的臺虎鉗是平口虎鉗。平口虎鉗一般由帶死鉗口和絲母的鉗身，帶動活鉗口的滑塊及旋轉絲槓組成。在旋轉絲槓絲母的作用下帶動鉗口的滑塊向死鉗口靠近，兩個鉗口在絲槓的作用下夾緊工件。

圖6 普通平口虎鉗

它的原理也決定了它有以下的缺點

1、夾持圓形及異型工件時，夾持的是工件的兩條母線，接觸方式為兩條線接觸。零件裝夾不穩定，如果增加鉗口對工件的壓力常常會夾傷零件。

2、如果圓形及異型工件有形位公差要求或是批量生產時，因兩個鉗口無法正確定位通常無法滿足要求。

3、平口虎鉗對於異形零件根本就無法夾持。

而本文介紹的高精度圓口虎鉗使用平口虎鉗的基本結構，根據三點定位原理，將鉗口設計為適應於裝夾圓形及異型工件的可自動調整三鉗口結構形式。解決了使用虎鉗夾持圓形及異型工件這一難題。高精度圓口虎鉗系列產品的研製填補了虎鉗結構的這一空白。

設計思路

圓口虎鉗的工作原理是根據三點定位工作原理。參照三爪卡盤夾持圓形零件的工作方式，將虎鉗的夾持部分設計成可自動調整的三鉗口結構形式。按照零件的大小和形狀，夾緊時自動調節三鉗口位置， 從而滿足裝夾圓形及異型工件的要求。基本工作原理是1旋轉絲槓4，滑塊5在絲槓的作下向左運動，活鉗口6及活鉗口7隨滑塊一起向死鉗口3靠近。在絲槓的作用下3 個鉗口一起夾緊工件。3 個鉗口中有1個鉗口的位置是固定不動的，另外2 個鉗口的角度及位置可以隨工件外形自動調節，從而滿足異型零件的裝夾固定。

圖7 圓口虎鉗結構示意圖

1-鉗身 2-死鉗口 3-絲母 4-絲槓 5-滑塊 6、7-活鉗口

圓口虎鉗最大的優點在於夾持工件的多樣性。不但適用於平板類零件的夾持，更適合圓形及異型工件的夾持。夾持穩定性好，可自動定位，滿足零件的形位公差要求。

圓口虎鉗的技術難點在於兩個活動鉗口的設計既要滿足自動調整要求，隨工件的外形而改變位置，又要滿足定位穩定性的要求。保證工件裝夾的牢固穩定，為此設計將兩個活鉗口以圓弧面接觸的方式安裝於活動滑塊上。隨著滑塊的運動，活鉗口張合，隨著工件外形的變化，活鉗口沿圓弧面旋轉。以保證鉗口與工件表面正確接觸，從而實現對各類零件的裝夾。

圖8 連接關係示意圖

1、2-活鉗口 3-滑塊 4-限位銷 5-壓板

裝配與調試技術要求

活鉗口2安裝於滑塊3中，鉗口的外圓與滑塊的內圓接觸，鉗口的內槽面與滑塊的內槽面接觸，從而保證活鉗口與滑塊始終保持圓弧面接觸限位銷4及壓板5防止活鉗口從滑塊中掉出。具體要求如下：

1、固定鉗口V 型槽對鉗身底面的垂直度不大於0.01mm/100mm。

2、兩個活動鉗口各自的V 型槽對鉗身底面的垂直度不大於0.02mm/100mm。

3、三個鉗口組合後夾持零件母線對鉗身底面的垂直度不大於0.02mm/100mm。

這個真的太有科技難度了，不過這樣的夾具必須採集一些常見異性工件的信息，然後去國外成熟的生產車間進行實地考察，然後回國進行自主創新。