为数控龙门铣床自制具有旋转功能的夹具完成4轴加工

数控龙门铣床是近几年陆续登上一些老工业基地的设备，为不少加工场景做出了贡献。但是，它也被限制在三维空间内进行各种加工，对于四轴及五轴的加工也是无能为力的。不过通过自制具有简单而精确旋转功能的先进夹具，可以完成4轴的加工技术，完善和充实该机床之不足。

一、技术分析

如图1的数控龙门铣床加工支架，该件除上下面具有定位销孔外，在Z方向还有两斜面，并在斜面内各自有各坐标孔。

图1

该支架采用Q235—A焊接件，是用于汽车装配线上重要部位的零部件。支架上下面均有坐标定位孔，关键加工部位是两侧斜面的相交点（436.5±0.02）mm，及该相交点至各斜面的坐标孔。

二、工艺编制

1.镗：刀校中间连接筋一侧面，平面度≤0.05mm。

2.镗：粗铣上下面，凹台面加工至成品，其余各面各留1～1.5mm。

3.龙门铣：粗铣两斜面，坐标孔面各留1～1.5mm（用专用夹具）。

4.龙门铣：精铣上下面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝。

5.龙门铣：精铣两斜面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝（用专用夹具）。

6.摇臂钻：各螺纹孔。

为了保证加工件的几何公差，所有的坐标孔面均应分粗精加工。并且，该件在粗加工后应放置一段时间，至少不小于24h，待工件消除切削应力后再进行各部位的精加工。

三、工装设计原则

该工件两侧斜面的加工，必须采用高精度的角度调整功能，就是四轴旋转功能。而龙门铣床不具备加工斜面功能，只能设计专用的角度旋转夹具，当工件精加工时，一次性将两侧斜面加工成品，该夹具应具备以下功能和特点：

①该夹具是典型的一面两销定位方法，即以底面和两坐标孔定位。坐标孔应选择两距离较远位置。还必须具备一次性装夹的功能，即夹具需具备左右翻转±30？功能，且翻转角度的误差必须≤±0.05？。

②夹具底座需安装在龙门加工中心工作台上，并必须用平键和工作台定位，该工作台定位槽宽度24H7，而夹具定位键宽度公差采用基孔制h7即可。

图2 1.中心旋转轴 2.中心莫氏套3.工作台4.底座 5.两侧旋转轴

③该夹具翻转装置采用焊接件即可，分别焊接在底座和工作台上下面，其位置应合理配置。夹具角度旋转应采用精度较高的分度头。且各关键件的加工精度，不得小于8级公差精度。

根据以上分析，该夹具应根据角度工件的形状特点，既要具备较高精度，又要考虑其通用性；既要具备安装中大型工件的能力，又要考虑制作方便可行的经济效益。

四、关键件的设计情况

1.底座

底座是该夹具的基础件（见图3），它必须具备以下条件：

①外形360mm×600mm即可，该大小既要适用于本次工件的加工范围，又要具备一定的通用性和广泛的使用性能，属于中型加工件的专用夹具。

②该件底面的几何公差确定在平面度0.02mm，为工作台安装后的平面精度提供条件。

图3

③该孔左右各一个，除保证与底面的尺寸公差外，还必须对称中心0.02mm。

④该底座底面定位键槽宽24H7，与机床本身工作台配套使用。

⑤该定位槽应与旋转孔中心对称0.02mm，以防止使用时旋转中心偏移。

⑥该底座的4个定位槽是固定各种角度定位柱的基面，应与底面统一尺寸（16±0.01）mm。

2.工作台

工作台是和底座链接在一起的关键件（见图4），它除了担负装夹各种加工件的任务外，很重要的是负责旋转各种角度，这就要求具备以下技术要求：

①外形360mm×600mm，与底座配套使用。工作台平面的几何公差确定在平面度0.02mm，为工件精加工时提供合理的装夹精度。

②该件的中间旋转定位孔φ40H7前后各一个，是与底座旋转孔配套使用的，前孔需安装模式4号锥套，后孔则担负着固定安装旋转轴的功能。前后孔对工作台上平面尺寸精度（71±0.01）mm。

图4

③该件两侧各有4个φ30H7通过孔，在定位孔上安装高精度的转轴，转轴上安装同一高度的旋转定位柱，当角度确定后，用两侧随角度配套使用的角度定位柱，检测旋转角度的正确与否，同时起到固定工作台和稳定工件的作用。

④为防止各套在旋转过程中松动，在中间旋转套的侧面钻有螺钉孔，待套安装后，用沉头螺钉压紧。

3.中心莫式套

该件是安装在工作台中间的前旋转孔上，它除了担负着底座和工作台上下联接的作用外，更重要的是担负着联接分度头安装使用的作用，所以它必须具备以下功能：

图5

①材料采用45钢，精加工前需热处理硬度48HRC，并且表面发蓝处理。莫氏孔需涂色检查，接触精度≥85%。

②φ40h7外圆与莫氏孔的同心度要求≤0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.8mm。为防止转动，在套的端面划两个固定窝，安装时用螺钉将其固定。

4.双莫氏连接轴

双莫氏连接轴是该夹具的附件，它是紧紧联接夹具和分度头的关键工件，承担着联接夹具和分度头承前启后的作用，它既要传递分度头到夹具的转矩，又要保证左右旋转角度的精度。所以，该连接轴的精度需达到以下要求：

图6

①材料采用40Cr，粗加工后进行调质处理，精加工前进行表面热处理硬度48HRC。前后莫氏锥外圆需涂色检查，接触精度≥85%，同心度≤0.01mm。

③前后孔需采用60？中心孔，表面粗糙度值Ra=1.6mm，并带有120？保护窝。中间连接轴需和两端锥外圆同时磨出，待分度头和夹具联接后，用卡盘轻轻夹紧，即可增加两个联接件的稳定性。

五、被加工件安装过程

根据工艺安排，精加工时，龙门铣床担负工序4：精铣上下面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝；工序5：精铣两斜面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝（用专用夹具）。

工序4在这里不做论述，只介绍一下加工两斜面及斜面上坐标孔的内容。

夹具安装前，按规定位置，在工作台上钻出装夹工件的螺钉孔M16-6H共9个。夹具安装分三步：

①安装前，须将各接触面清洗干净。

②按定位键确定的位置，将夹具安装在龙门铣床的合理位置。

③分度头安装。首先将连接轴安装在分度头的主轴孔内；然后用螺杆拉紧；其次，将分度头轻轻推进夹具的中间莫氏4号孔内，在用螺杆拉紧；最后，用卡盘扳子将连接杆轻轻夹紧，再用扳子将分度头紧固在龙门铣工作台上。

此时夹具和分度头安装完毕，其状态如图7所示。

图7

找正工作台平面，用分度头调整左右角度，将分度头盘左侧螺钉松开，将定位销插在分度盘内，旋转时，只需旋转插上定位销的分度盘即可，待用百分表找平后，再将左侧螺钉紧固。

图8 工件安装前，销柱、压板及各螺钉摆放位置

该夹具是一面两销定位。首先，要在工作台上钻出定位孔，两定位孔要按着图样要求在工件中心偏离1.1mm处，用探针确定夹具旋转中心位置，即检测连接轴外圆，当中心确定后，机床主轴移动至相应位置。

工件的夹压螺钉孔，是在把该夹具安装于龙门铣床之前完成的。安装销子后，以销孔定位，将工件安装在工作台上，用螺钉和压板将工件夹紧。按图8所示要求，用分度头左右旋转夹具角度－19.5°、22°。

图9

角度确定后，须在该夹具两侧安装左右定位柱，以稳定夹具，并在机床工作台上自找合适位置，将该夹具压紧。

在以上工作完成后，实施加工时，关键加工部位是在Y方向加工左右两侧面时，需要用探针将旋转中心零点确定，加工时，每面各留1～1.5mm用探针检测其实际尺寸，按要求尺寸移动Y方向坐标。然后再反复精加工各斜面成品，两斜面成品的相交点与夹具旋转点距离是保证精度的重点。

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