夾具最早出現(xiàn)在18世紀(jì)后期，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。近年來，數(shù)控機(jī)床、加工中心、成組技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等新加工技術(shù)的應(yīng)用，使現(xiàn)代機(jī)床夾具向標(biāo)準(zhǔn)化、精密化、高效化、柔性化的方向發(fā)展，并對機(jī)床夾具提出了更新的要求?，F(xiàn)代機(jī)床夾具的主要特征表現(xiàn)為：(1)定位準(zhǔn)確、夾緊可靠并能實(shí)現(xiàn)快速裝夾；(2)能裝夾具有相似特征的工件；(3)能適應(yīng)精密加工工件的裝夾；(4)能適應(yīng)柔性化生產(chǎn)；(5)配備液壓站等為動力源的高效夾緊裝置；(6)提高夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

　　門五金件孔槽加工是木門生產(chǎn)加工、裝配的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是木門生產(chǎn)機(jī)械化、自動化的一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的門五金件孔槽加工裝夾方法采用人工手動或機(jī)動進(jìn)給的夾緊方式，每加工完一個(gè)孔槽就要重新定位夾緊，造成嚴(yán)重的累積誤差，加工精度和加工效率低。在我國還沒有一次裝夾能夠完成門五金件孔槽數(shù)控加工的集多工序、多工位一次加工于一體的門五金件孔槽數(shù)控加工設(shè)備。近年來，德國、意大利、日本等國家先后開發(fā)出數(shù)控門鉸鏈槽和門鎖孔、鎖槽的加工專機(jī)。這些機(jī)床實(shí)現(xiàn)了木門鉸鏈槽和鎖槽、鎖孔的加工高速化、高精度化、集成化、柔性化和智能化。但是，單件設(shè)備價(jià)格高達(dá)百萬元，鉸鏈槽和鎖槽、鎖孔必須分兩道工序，在兩臺機(jī)器上分別加工或在同一臺機(jī)器上分兩次裝夾加工。為了適應(yīng)門五金件孔槽加工對夾具的要求，實(shí)現(xiàn)門五金件孔槽在一臺設(shè)備上一次裝夾完成全部自動加工，提出一種新的門五金件孔槽數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)方法。

1 門五金件孔槽數(shù)控加工原理

　　門五金件孔槽主要有合頁槽、門鎖孔槽(有門閂槽、片槽、異型槽、門鎖孔)、門把手孔等孔槽，閂槽與片槽有一個(gè)共同對稱中心線分布在木門的一側(cè)，合頁槽分布在另一側(cè)，木門正面的鎖孔分布在閂槽與片槽一側(cè)。門鎖孔槽形狀的仿真模型。

　　門五金件孑L槽采用數(shù)控加工時(shí)，機(jī)床工作臺走向?yàn)楦贻S方向，水平垂直工作臺走向?yàn)閅方向，在立柱上有一垂直方向垂直于工作臺面的刀具機(jī)構(gòu)，進(jìn)給方向?yàn)閦軸方向。合頁槽刀具機(jī)構(gòu)垂直方向垂直于工作臺面的進(jìn)給方向?yàn)樾畏较?。由于門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床要實(shí)現(xiàn)木門鎖具孔槽、合頁槽在木門兩邊同時(shí)進(jìn)行數(shù)控加工，至少要有6個(gè)數(shù)控軸，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行三維加工。為了減少機(jī)床軸數(shù)，簡化機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)，降低編程難度，提高機(jī)床工業(yè)化推廣的性價(jià)比，采用門鎖孔槽Y軸與合頁槽y軸共用，實(shí)現(xiàn)一軸雙控。通過離合裝置智能控制實(shí)現(xiàn)兩個(gè)位置的數(shù)控加工進(jìn)給。合頁槽、鎖槽、鎖孔3個(gè)刀具機(jī)構(gòu)通過數(shù)控裝置控制同時(shí)完成合頁槽、鎖槽、鎖孔及異型槽的開制。

2 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具設(shè)計(jì)分析

　　門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床的夾具設(shè)計(jì)在滿足定位和夾緊功能的前提下，為了實(shí)現(xiàn)定位準(zhǔn)確、夾緊可靠并能實(shí)現(xiàn)快速裝夾，門定位以后必須采用一定的機(jī)構(gòu)把門固定在定位基準(zhǔn)上夾緊，使門在加工過程中，不會由于切削力、自身重力、離心力或慣性力等力的作用而發(fā)生位移或產(chǎn)生震動，以保證定位準(zhǔn)確、夾緊可靠；快速裝夾的目的是為了縮短門五金件孔槽數(shù)控加工過程中的非增值時(shí)間，提高機(jī)床利用率。借鑒歐美發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)，可采用機(jī)械式快速夾緊裝置，如汽缸、旋轉(zhuǎn)油缸、夾鉗等夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速裝夾的全自動化控制的嘗試。

　　門夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，對于保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率有著很大的影響。因此，門夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下要求：

　　(1)夾緊時(shí)，保證門的定位精度、門五金件孔槽的位置精度，且精度穩(wěn)定；

　　(2)夾緊力大小合理，夾緊準(zhǔn)確、可靠；

　　(3)夾緊力的大小能夠調(diào)節(jié)，被夾緊的門的變形小；

　　(4)夾緊裝置結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性好，制造容易，有足夠的強(qiáng)度和剛度；

(5)夾緊裝置設(shè)計(jì)符合工效學(xué)原理(人機(jī)工程學(xué)原理)，力求實(shí)現(xiàn)高效、舒適、健康、安全。

3 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　3.1 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具定位夾緊方案

　　(1)定位面的確定

　　木門是典型的矩形工件，木門共有6個(gè)面，兩個(gè)大平面(正面、下平面兩個(gè)平面)、兩個(gè)立挺邊側(cè)面、兩個(gè)冒頭邊側(cè)面。根據(jù)門五金件件孑L槽的分布位置，實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾。選擇木門的下平面作為定位支承面(3個(gè)支承點(diǎn))，限制三、咒、Y 3個(gè)自由度；鎖孔槽一側(cè)立挺的側(cè)邊為側(cè)向定位面(兩個(gè)支承點(diǎn))，側(cè)面1其限制了多、z向自由度；選兩個(gè)冒頭邊側(cè)面中的一面(一個(gè)支承點(diǎn)限制歪向的自由度。于是木門的6個(gè)自由度全部被限制，實(shí)現(xiàn)了6點(diǎn)定位。

　　(2)夾緊方案的確定

　?、俣ㄎ慌c預(yù)夾緊方案的確定

　　由于門五金件孔槽是以門中心線或?qū)ΨQ平面作為工序基準(zhǔn)的，為了實(shí)現(xiàn)門的準(zhǔn)確定位和對中，保證門五金件孔槽的準(zhǔn)確位置和定位精度，采用對中夾緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)完成門的定位和預(yù)夾緊過程。對中夾緊機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定心、對中，利用定位夾緊元件的等速移動或均勻彈性變形的方式，來消除工件定位基準(zhǔn)面的制造誤差，使這些誤差或偏差相對于所定心或?qū)χ械奈恢?，能均勻?qū)ΨQ地分配在工件的定位基準(zhǔn)面上，對中夾緊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)定位誤差為零。

　?、趭A緊方案與聯(lián)接組件的確定

　　旋轉(zhuǎn)油缸是液壓控制系統(tǒng)中的一個(gè)主要執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)與普通液壓缸不同。在旋轉(zhuǎn)油缸缸體內(nèi)壁上加工出一段螺旋導(dǎo)槽，而在油缸活塞外圓面上安裝一個(gè)鋼球。當(dāng)油缸內(nèi)任一腔充油時(shí)，油缸活塞上的鋼球沿導(dǎo)槽軌跡螺旋式上升或下降，帶動活塞桿上的壓板自動旋轉(zhuǎn)并升降，從而實(shí)現(xiàn)夾緊、松開和躲刀功能。為了保證夾具夾緊可靠并實(shí)現(xiàn)快速裝夾，采用旋轉(zhuǎn)油缸固定在轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)上構(gòu)成的聯(lián)接組件，聯(lián)接組件在夾具體上采用機(jī)械式快速鎖緊的方式。　　3.2 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　(1)定位與預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　夾頭1與滑座4連接在一起，齒條9通過內(nèi)六角螺釘安裝在滑座4上，夾頭5和滑座6、齒條7用同樣的方式連接在一起。側(cè)板3與滑座4焊接在一起。工作時(shí)，氣缸2推動側(cè)板3從而帶動滑座4進(jìn)而帶動夾頭1移動，同時(shí)由于齒條9的作用，通過齒輪8帶動齒條7，從而帶動夾頭5移動，從而實(shí)現(xiàn)夾頭1和夾頭5同步對中夾緊?；?和滑座6下面有移動導(dǎo)軌(圖中被擋住未畫出)。齒輪通過軸與軸承固定在夾具體上。門對中夾緊機(jī)構(gòu)是利用齒輪齒條嚙合傳動原理，采用氣缸提供動力來實(shí)現(xiàn)工件的對中定位與預(yù)夾緊。

　　(2)夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　木門的液壓夾緊工作過程：木門定位預(yù)夾緊后，油泵啟動，通過電磁閥控制轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)油缸上升旋轉(zhuǎn)，夾頭調(diào)整到正確的位置后油缸轉(zhuǎn)下降，夾緊工件。同時(shí)蓄能器充油，通過PLC編程設(shè)定一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，各電磁閥保持狀態(tài)，以保證蓄能器的補(bǔ)油；加工中夾緊油路通過繼電器實(shí)現(xiàn)油泵向夾緊回路中蓄能器補(bǔ)油，保證系統(tǒng)壓力；加工結(jié)束，系統(tǒng)全部卸壓。

　　3.3 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具總體結(jié)構(gòu)形式

　　夾具總體由夾具底座、定位與預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)油缸組件夾緊機(jī)構(gòu)、定位墊板等零部件組成。夾具底座由機(jī)床通用平臺，布置油缸、氣缸及管路等用途的平臺板組成；定位與預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)在木門立挺的兩邊避開合頁槽、鎖槽加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對中定位預(yù)夾緊，木門正面中心點(diǎn)為對刀及設(shè)定數(shù)控加工程序的初始點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)油缸組件夾緊機(jī)構(gòu)布置在合頁槽加工一側(cè)，完成木門的快速裝夾。定位、夾緊機(jī)構(gòu)的布置與刀具機(jī)構(gòu)以及五金件孔槽加工位置互不干涉。

4 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　(1)氣動定位與預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)木門定位與預(yù)夾緊的要求，氣缸用于工件Y軸方向的對中定位預(yù)夾緊，2個(gè)單向節(jié)流閥分別控制氣缸活塞桿伸出和回退的速度，三位四通電磁閥控制氣缸的換向。調(diào)壓閥用來調(diào)節(jié)氣缸的工作壓力，即控制Y軸上的工作壓力大小。單向閥則用來防止壓縮空氣回流門。

　　(2)液動夾緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)通過定量泵2供油，由溢流閥3設(shè)定系統(tǒng)的最高工作壓力，泵出El的單向閥5防止油液倒流，系統(tǒng)的壓力可通過壓力表7及開關(guān)6顯示，電磁鐵4控制泵在零壓下的起動與卸荷。溢流閥8為背壓閥，用于調(diào)整液壓控制系統(tǒng)回路油壓。夾緊機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行器由三個(gè)旋轉(zhuǎn)油缸12，其運(yùn)動方向由三個(gè)三位四通電磁換向閥10分別控制，并通過單向節(jié)流調(diào)速閥14對油路進(jìn)行調(diào)速。電磁換向開關(guān)11用于調(diào)整改三位四通電磁換向閥10中的電磁鐵換向。蓄能器18用于系統(tǒng)的起蓄能補(bǔ)油和緩沖，保證工件的夾緊力要求，系統(tǒng)的進(jìn)油路定量泵2中設(shè)置了過濾器、回油路設(shè)置了過濾器19、冷卻器20，保證油路的暢通和防止油溫的過高。

　　4.2 門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具控制系統(tǒng)參數(shù)確定

　　門五金件孔槽數(shù)控加工時(shí)，木門除了承受自身的重力和夾具的夾緊力外，還要承受3個(gè)刀具機(jī)構(gòu)7把鉆銑刀具產(chǎn)生的切削力。門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床最大加工木門的尺寸為門高、門寬、門厚為2 400min X 1 100 mm×60 mm，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)12 000 r／min，刀具進(jìn)給速度為6—15 m／min。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，對中預(yù)定位夾緊系統(tǒng)的氣缸，選取外徑D為20～25 mm、推桿直徑d為8～10 mm，行程L為200～300 mm的前法蘭式氣缸；三位四通電磁換向閥選L10A，單向閥選L15A型；調(diào)壓閥選L15A型；氣源設(shè)備選用排氣壓力P為0．7 MPa的空氣壓縮機(jī)。

　　對于液壓夾緊系統(tǒng)，主要考慮夾緊點(diǎn)產(chǎn)生的夾緊力、動力源的安全工作壓力、系統(tǒng)的工作壓力及流量等性能指標(biāo)。由于是一次裝夾完成所有五金件孔槽加工，加工時(shí)合頁槽刀具與鎖槽刀具所產(chǎn)生的切削力

　　向相反，互相抵消了部分切削力，殘余的切削力可由對中預(yù)定位夾緊系統(tǒng)消除。液壓夾緊系統(tǒng)所受的切削力主要來自鎖孔加工刀具產(chǎn)生的切削力，以640 mm鎖孔計(jì)算，刀具進(jìn)給速度6 m／min，刀具轉(zhuǎn)速12 000r／min，鉆削力FC<700 N，進(jìn)給力FU&le;300 N，所產(chǎn)生的切削力分布在3個(gè)夾緊點(diǎn)上，每個(gè)夾緊點(diǎn)不超過2 kN，取每個(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力為0.6 kN即可滿足要求。系統(tǒng)的工作壓力為5～35 MPa，夾緊力0.6～2 kN可調(diào)。液壓夾緊系統(tǒng)元件選用成型部件或組件，其參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力、夾緊力范圍選定。

5 結(jié)論

　　(1)根據(jù)門五金件孔槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及數(shù)控加工原理，對門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，提出一種新的門五金件孔槽數(shù)控加工夾具設(shè)計(jì)方法，滿足了門五金件孔槽在一臺設(shè)備一次裝夾完成全部自動加工的需求。

　　(2)確定了門五金件孔槽數(shù)控加工機(jī)床夾具定位夾緊方案，設(shè)計(jì)了定位夾緊機(jī)構(gòu)、夾具氣動、液動控制系統(tǒng)以及夾具總體結(jié)構(gòu)形式，創(chuàng)新性地運(yùn)用對中定位預(yù)夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)門對中零誤差定位，旋轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了門五金件孔槽數(shù)控加工裝夾的柔性化。

　　(3)該夾具系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)木門全自動定位夾緊，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成門五金件孔槽數(shù)控加工，提高了門五金件孔槽的加工精度且調(diào)整方便，節(jié)省了定位裝夾時(shí)間，。提高了生產(chǎn)效率，對實(shí)現(xiàn)門五金件孔槽數(shù)控加工的規(guī)模化具有重要意義。