弯头夹具 [谈输油臂90°旋转弯头加工夹具设计]

　　摘 要：输油臂中具有许多弯头管道，其作用也各不相同，常用于高温、低温、强腐蚀性介质输送管道的连结。一般铸造成型。为了尺寸统一和提高生产效率，通常在数控车床上加工，但是该零件形状不规则，需要重复定位，装夹有一定的难度。根据加工需要，必须采用工装夹具进行装夹。文章主要阐述了该零件的工装设计制造。使用该工装缩短了装夹弯头零件的时间，大大提高了生产效率。
　　关键词：输油臂；弯头；夹具设计
　　中图分类号：TP211+.2 文献标识码：A
　　1 概述
　　随着我国石油工业的不断发展，原油和成品油的运输量越来越大，对港口货物，油田油气储运，大型油库的输送吞吐能力的要求也越来越高，利用软管输油已不能适应当前的需要。输油臂比传统的橡胶管道传输方法节省能源、传输效率高，并大大减轻了工人的劳动强度，为实现港口、码头、油田、油库液体的机械化传输创造了条件。
　　输油臂传输管道中旋转弯头的工作是非常重要的，由于它的形状的特殊性，在生产旋转弯头零件需要采用专用夹具进行装夹，用来提高加工质量和效率。
　　2 零件的分析
　　2.1 零件的用途
　　如图1所示90°旋转弯头的工件为管道弯头，用于输油臂输送管道拐弯处，起改变管道流向作用，主要输送具有高温、低温、强腐蚀性的液体，具有可靠的防结垢性能。使用非常安全可靠。本零件是旋转接头多个旋转部件构成之一，用以联接内、外臂部件进行相关动作。
　　2.2 零件的工艺分析
　　零件形状为90°弯头，材料为合金铝，采用铸造成型，零件外形铸造尺寸标准，浇注口在加工零件的两端，可以考虑夹具装夹零件的圆弧部位。而零件加工的部位为R4.76凹圆槽、直径为￠100mm的内孔和端面，尺寸公差要求不是很高，但是位置公差要求很严格。
　　3 夹具的设计与分析
　　为了形状外观统一、重复定位装夹和提高生产效率，所以采用数控车床进行加工。数控车床一般加工轴类和盘类零件。在保证尺寸的基础上并要保证两端面相互间有一定的垂直度，需求量大。在现有设备CAK6140数控车床上加工，因弯头的形状、结构特点，不论采用三爪卡盘还是四爪卡盘都难以装夹。就是用常规的工装夹具，加工工艺也比较复杂，影响生产效率。针对这种情况，采用自行设计的工装夹具，既快又好地完成了弯头的加工要求。
　　3.1 夹具设计的基本要求
　　在进行机械加工时，为了保证加工的要求满足以下要求：A、夹紧过程中，不破坏工件在定位时所处的正确位置；B、夹紧力的大小适当，保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，又不超出允许的变形；C、工件生产批量越大。要采用快速、高效的定位和夹紧机构；D、具有良好的结构工艺性。力求简单，便于制造维修，操作安全方便，并且省力，应使工件安装稳定，加工中所引起的变形最小；E、应使工件定位方便，夹紧可靠，对定位元件的基本要求有足够的精度，足够的强度和刚度，耐磨性好，工艺性好，便于清理切削。
　　3.2 夹具的设计
　　通常弯头零件的装夹方法有两种：
　　①将工装做成两个半弧形，合起来为一个圆筒形，结合面上开出弯头另一端伸出的孔。
　　②采用一根圆棒料，按照弯头中间部分的直径用铣床铣出一个U型槽，在U型槽的立面位置打上一个螺纹孔，将弯头装进去，用螺丝拧紧。
　　但是由于工件为铸造件，所以要考虑材料收缩性。还会由气孔、缩孔、裂纹和偏折等缺陷。加工工件后形位公差检验误差太大，中心线部位（圆棒和弯头）不在一条直线上太大，零件的台阶面是否很平，这会对零件与圆棒的中心线的重合产生影响。
　　如图1所示：要加工工件外圆槽、内孔和两端面，此次加工的旋转弯头是用于与管道之间的变相固定连接，考虑到加工精度高，调整方便。工装夹具是由基座、底座法兰，圆弧定位板，弧型压板和外框五部分组成。本夹具为焊接夹具体，夹具有三面互相垂直的外框平板6、9、10(图2-1)，工件装在两个互相垂直的圆弧形架6、11上，将零件固定在圆弧定位板之间，用弧型压板4加螺钉固紧，由于工装在加工前将车床的卡盘拆卸下来，把夹具的法兰与车床头的法兰联接，夹具法兰上的锥孔与车床主轴配合，再把弯头零件装在夹具上，这样可以保证机床、夹具、零件三者之间的同心度，零件便能被夹紧、定位，加工出零件的外圆弧、端面和内孔。
　　本夹具将加工零件放置于外框中，再用弧型压板压紧，在弧型压板上要用 M12 的螺栓来进行固定 (因为螺旋压紧机构结构简单，夹紧力和夹紧行程都比较大)。在车床的主轴法兰上，夹具在设置时考虑到零件为铸造件，需要进行微调，特别增加了U型槽12，防止在下批工件加工时，安装夹具出现误差，便于打表调整重复使用。
　　3.3 夹具使用注意点
　　在生产实际中，要考虑工装旋转中心和机床主轴一致，尽量用精基准作为定位基准：遵守基准同一原则：零件以外圆弧定位，控制工件加工的垂直度与圆度，一般可分为主要支承和辅助支撑。用来限制工件的自由度，具有独立定位的作用。辅助支承用来加强工件的支承刚性，不起限制工件自由度的作用。
　　3．4 工装夹具的优点
　　工装夹具具有如下优点：A、保证加工精度，稳定加工质量；B、缩短装夹和调整时间，提高劳动生产率；C、扩大机床的使用范围，实现“一机多能”；D、改善工人的劳动条件，降低生产成本。
　　3.5 定位误差的分析与计算
　　定位分析：定位误差产生的原因是工件在夹具中定位时，工件的外形尺寸不一致，导致零件内孔圆心与机床主轴线偏置造成的。误差用DW表示，单位mm表示。
　　根据图2要求，要保证工件在夹具中六个自由度，因为夹具有三面互相垂直的外框平板，两个互相垂直的圆弧定位板，限制了工件在夹具中X 、Y 轴的转动自由度，用弧型压板4加螺钉固紧，限制了工件在夹具中X、 Y、Z轴的移动自由度，所以以上五个自由度可以忽略不计。因为工件（铸造件）和夹具定位元件均有制造误差，所以一批工件在夹具中定位后的位置是不一样的，即z轴的转动自由度（也称为工件外径的圆跳动)。
　　根据从工序允差中扣除定位误差后余下的允差部分大小，来判断具体加工方法能否经济地保证精度要求。如图3所示工件装夹的定位误差分析图，以直径为d1的外圆定位在夹具上。已知d1=Φ132.5±0.1mm，D1=Φ100±0.25mm。定位误差计算如下：基准位移误差：0.707Td、基准位移误差：DW=0.7×Td+0.5×TD=0.7×0.2+0.5×0.5=0.39(mm)计算所得定位误差=0.39mm<0.8mm。故此方案可行。
　　结语
　　本夹具的设计是完全符合实际生产要求。要使设计的夹具能保证工件的加工精度，一方面要正确确定定位方法及定位元件，使其尽量不违反六点定则；另一方面还应该进行有关误差的分析，了解产生误差的原因，进行判定所选择的定位方法及定位元件是否合理。夹具结构的组成，应尽量采用各种标准件和通用件，减少制造劳动量和降低费用，装配和调试方便。
　　参考文献
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