如何设计异形工件专用夹具？

一往冇前

在产品加工过程中，经常会出现一些不规则的零件。对于异形零件，应采用专用的夹具才能满足铣削加工的需要。专用夹具是仅仅适用于某一工件的一道或数道工序的加工而专门设计的夹具。

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关于在生产中如何设计专用的夹具来解决各种类型不规则零件定位夹持的实际问题，从而提高生产效率，本文将提供一些设计思路。

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一、异形工件的定位案例

针对形状特殊、难以装夹定位的异形工件，为满足铣削加工过程中高精度、低磨损、易于安装的要求，提出了一种新型的定位方案。该定位装置可以有效降低对工件定位面的磨损，保障机床的加工精度，其结构简单，可降低装配、调试人员的劳动强度。

图1 被加工工件

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被加工零件资料

材料：B 级钢

质量：360kg

硬度：137 ～ 208HBW

要求：对6个面进行粗铣加工。加工后保证粗糙度为50μm，1、2 面距离为( 184 + 10)mm，对6面的垂直度为0. 5mm，3、4 面距离为(184+10） mm，对5面的垂直度为0. 5mm，5面对6面的平行度为0. 5mm。

分析思路

该工件外形类似于牛角，中间有口字方洞。根据客户要求，要设计一台专用机床对该工件的1 ～ 6面进行铣削加工。鉴于工件的不规则形状及毛坯情况，选择A面作为定位基面。但A面在工件内部，给定位设计带来了困扰：如果工件从机床正上方上料，即A面直接落到定位装置上，则在定位机构设计时既要给工件定位又要避开工件底部横梁，以免发生干涉，导致定位装置设计较繁琐，甚至无法实现；如果工件从机床侧面上料，即将工件从机床的一侧横向推入定位装置上，则工件定位面容易磨损，会影响机床的加工精度，难以满足客户的要求。

基于以上两点考虑，设计了一种可以摆起的定位装置。即将工件从机床正上方上料，当确认有料后，定位装置穿过工件的口子方洞摆起，直接给工件A面定位，这样，定位装置既不会与工件干涉，又降低对A面的磨损，并且结构简单，定位可靠。

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图2 定位抬起装置简图( 工件定位状态)

1-轴承左端盖 2-角接触球轴承 3-轴向定位螺钉

4-回转轴 5-轴承右端盖 6-旋转托板 7-支架

8-定位滚子 9-楔块 10-定位调整钉 11-楔形活塞杆

12-挡铁 13-液压缸 14-回转轴支架 15-支座

二、异形工件车床装夹思路

异形工件的加工方法通常有三种：

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四爪卡盘装夹加工异形工件

在车床上使用四爪卡盘装夹工件，然后使用百分表对工件进行单件找正，再进行加工。

它的缺点很明显，加工过程中，当一个工件的一道工序加工完成后，加工下一个工件的同一道工序还需要重新装夹，再用百分表进行找正，导致加工效率低下，浪费很多的时间。

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用三爪自定心卡盘进行装夹异形工件

使用三爪自定心卡盘进行装夹异形工件，将工件固定在卡盘上后使用百分表找正。

但因卡爪是同步运行，所以只能根据百分表测量情况在卡爪位置加垫片的方法进行找正（要单独制作标准垫块）。这会造成工件的加工精度不高，而且该方法只能加工简单的异形工件。

花盘 进行加工异形工件

使用花盘进行加工，一般比较复杂的工件才会使用花盘装夹工件，而工件的装夹找正方式和四爪卡盘基本相同，但由于工件较复杂，装卡较困难，所以找正的时间会比较长，使得采用花盘加工的效率同样很低。

而本文介绍了直接用车床上的三爪自定心卡盘进行装夹异形工件，在卡盘上装夹外套和满足异形工件的内套，一次装卡到位，不用找正，从而为批量加工异形工件节约大量时间，提高劳动效率。文中所提出的采用三爪自定心卡盘上装夹复杂异形工件的夹具（图3 所示）。

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图3 三爪自定心卡盘结构示意（1）

此夹具分为三部分，这三部分分别固定在三个卡爪当这三部分闭合时，异形工件装夹夹具的装夹孔与所加工异形工件的装夹面相匹配。其中异形工件装夹夹具（包括夹具外套和夹具芯）的夹具外套安装在卡爪上，夹具芯安装在夹具外套上，并设置有装夹孔。

其中夹具外套为圆环型，并设置有夹具芯安装面。而夹具芯为圆环型，中间的孔为装夹孔。夹具外套与卡爪通过连接螺栓联接固定，而且夹具芯与夹具外套通过连接螺栓。采用本方法加工时不需要进行装夹找正，能够根据异形工件的形状自动定位找正，大大缩短了加工时的辅助时间，降低了装夹时的累计误差，提高了加工精度和劳动效率，可广泛用于大批量的异形工件的加工，并且根据不同形状的异形工件，可使用不同规格的夹具芯。详细说明如下：

图4 结构示意图（2）

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如图4所示，该夹具分为三个部分，三爪自定心卡盘、夹具外套和夹具芯。将夹具外套等分成三块，用螺栓联接在卡盘的三个卡爪上；夹具芯也等分成三块，联接在夹具外套上，夹具芯组合后，中间孔的形状就是异形工件的外形，加工夹具芯时要保证异形工件的回转中心与夹具芯的圆心重合。当这三部分闭合时，异形工件装夹夹具的装夹孔与所加工异形工件的装夹面相适配。异形工件装夹夹具的这三部分与三爪自定心卡盘上的三个卡爪分别连接成为一个整体，在卡爪移动时能与卡爪同步运动，达到自动定心的效果。

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在加工工件时，把异形工件夹具外套安装到三爪自定心卡盘的卡爪上，把夹具芯用螺栓固定在夹具外套上，再把工件装夹到装夹孔中，然后使用卡盘夹紧，这样工件就能自动定位找正，使用该装置加工时不需要重复进行找正，能够根据异形工件的形状自动定位找正，大大缩短了加工时的辅助时间，降低了装夹时的累计误差，提高了加工精度和劳动效率，是普通加工方法的三倍以上，可广泛用于大批量的异形工件的加工。

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所述的异形工件装夹夹具包括夹具外套和夹具芯，夹具外套安装在卡爪上，夹具芯安装在夹具外套上，并设置有装夹孔。夹具芯可以根据异型工件的特殊性设计出不同形状的装夹孔，而且夹具芯可以拆卸，根据不同的工件，可以更换不同的夹具芯。

图5 结构示意图（3）

如图5所示，夹具外套为圆环型，并设置有夹具芯安装面。夹具芯为圆环型，环芯为装夹孔。夹具外套通过外圆环面定位，用沉头螺栓安装在卡爪上，夹具芯安装面用于夹具芯的安装和定位，而且圆环型容易加工，能更好的控制异形工件装夹具的加工精度。夹具外套和卡爪上设置有相对应的螺栓孔，夹具外套与卡爪通过螺栓孔利用螺栓联接，而且夹具外套的夹具芯安装面与夹具芯也设置有相对应的螺栓孔，夹具芯与夹具外套通过螺栓孔利用螺栓联接。通过这种螺栓连接方式，对于磨损严重达不到要求的夹具芯可以拆卸，更换十分方便，还可以根据不同的异型工件，更换不同的夹具芯。

三、异形工件虎钳夹持思路

在平时的生产中，用的最多的台虎钳是平口虎钳。平口虎钳一般由带死钳口和丝母的钳身，带动活钳口的滑块及旋转丝杠组成。在旋转丝杠丝母的作用下带动钳口的滑块向死钳口靠近，两个钳口在丝杠的作用下夹紧工件。

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图6 普通平口虎钳

它的原理也决定了它有以下缺点

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1、夹持圆形及异型工件时，夹持的是工件的两条母线，接触方式为两条线接触。零件装夹不稳定，如果增加钳口对工件的压力常常会夹伤零件。

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2、如果圆形及异型工件有形位公差要求或是批量生产时，因两个钳口无法正确定位通常无法满足要求。

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3、平口虎钳对于异形零件根本就无法夹持。

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而本文介绍的高精度圆口虎钳使用平口虎钳的基本结构，根据三点定位原理，将钳口设计为适应于装夹圆形及异型工件的可自动调整三钳口结构形式。解决了使用虎钳夹持圆形及异型工件这一难题。高精度圆口虎钳系列产品的研制填补了虎钳结构的这一空白。

设计思路

圆口虎钳的工作原理是根据三点定位工作原理。参照三爪卡盘夹持圆形零件的工作方式，将虎钳的夹持部分设计成可自动调整的三钳口结构形式。按照零件的大小和形状，夹紧时自动调节三钳口位置， 从而满足装夹圆形及异型工件的要求。基本工作原理是1旋转丝杠4，滑块5在丝杠的作下向左运动，活钳口6及活钳口7随滑块一起向死钳口3靠近。在丝杠的作用下3 个钳口一起夹紧工件。3 个钳口中有1个钳口的位置是固定不动的，另外2 个钳口的角度及位置可以随工件外形自动调节，从而满足异型零件的装夹固定。

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图7 圆口虎钳结构示意图

1-钳身 2-死钳口 3-丝母

4-丝杠 5-滑块 6、7-活钳口

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圆口虎钳最大的优点在于夹持工件的多样性。不但适用于平板类零件的夹持，更适合圆形及异型工件的夹持。夹持稳定性好，可自动定位，满足零件的形位公差要求。

圆口虎钳的技术难点在于两个活动钳口的设计既要满足自动调整要求，随工件的外形而改变位置，又要满足定位稳定性的要求。保证工件装夹的牢固稳定，为此设计将两个活钳口以圆弧面接触的方式安装于活动滑块上。随着滑块的运动，活钳口张合，随着工件外形的变化，活钳口沿圆弧面旋转。以保证钳口与工件表面正确接触，从而实现对各类零件的装夹。

图8 连接关系示意图

1、2-活钳口 3-滑块 4-限位销 5-压板

装配与调试技术要求

活钳口2安装于滑块3中，钳口的外圆与滑块的内圆接触，钳口的内槽面与滑块的内槽面接触，从而保证活钳口与滑块始终保持圆弧面接触限位销4及压板5防止活钳口从滑块中掉出。具体要求如下：

1、固定钳口V 型槽对钳身底面的垂直度不大于0.01mm/100mm。

2、两个活动钳口各自的V 型槽对钳身底面的垂直度不大于0.02mm/100mm。

3、三个钳口组合后夹持零件母线对钳身底面的垂直度不大于0.02mm/100mm。

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补充一个“真空海绵“，吸取表面无油脂的件还不错，许多异性件用高压柔性气爪也挺好