论文摘要：为了提高加工中心的利用率和加工操作的自动化程度，节约夹具动力装置的成本，通过具体零件的加工，介绍了用第四轴驱动进行工件定位夹紧的一种方法，说明了这种方法的夹具设计过程与要点及加工编程的要求。
　　Abstract：Inordertoimprovetheproductivityofmachiningcenter，theautomaticdegreeofmachiningoperation，andcutdownthecostoffixturepower，throughanexampleofmachiningaspecificpart，thisarticlepresentesamethodthattheworkpieceispositionedandclampedbyafourth-axisdriving.Themethodillustratestheprocessandthemainpointsofdesigningfixture，andtherequirementsofmachiningprogramme.

关键词：加工中心；第四轴；夹具
　　Keywords：machiningcenter；thefourth-axis；fixture
　　中图分类号：TG659文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）18-0056-02

0引言
　　加工中心在机械制造业中已得到广泛应用，这类数控机床价格昂贵，加工时应尽可能缩短辅助时间，以提高数控机床的利用率，降低成本。有些加工中心配备有第四轴，对于大部分加工往往只用到X、Y、Z三个轴，如果在三轴加工中把第四轴也有效地利用起来，既充分发挥了设备的作用，也可以有效地缩短辅助时间和进一步提高加工的自动化程度。本文介绍了一种在四轴联动立式加工中心上进行三轴联动加工时，利用第四轴驱动对工件进行定位和夹紧的方法，以及夹具的设计过程和程序的编制。

1定位夹紧原理与夹具结构
　　本工序所加工的零件如图1所示，材料T8A，硬度HB187，加工部位为深度9.2mm的60°三角槽和槽中部的M8螺纹底孔与Φ7.5mm的孔。
　　该零件的三角沉槽一致性要求较高，采用立式加工中心的X、Y、Z轴加工，夹具结构如图2所示。根据加工零件的设计要求，工件采用完全定位，底面三点定位，限制三个自由度，右侧面两点定位，限制两个自由度，后面一点定位，限制一个自由度。
　　加工时将三个工件2插入夹具体1，并用两个平行垫块2垫在两个工件之间，运行加工程序，第四轴6按指令通过安全联轴器5带动丝杠4旋转，在丝杠和导向键12的作用下，丝母13通过缓冲弹簧11推动夹紧滑块10向左移动纵向夹紧工件，夹紧滑块向左移动的同时，其斜面推动三个压紧销7横向夹紧工件，此时加工程序暂停或延时，以确认工件夹紧状况，如正常可继续执行程序开始加工。
　　为了合理地使用第四轴，在保证夹紧力足够的同时，还需要把夹紧力限制在第四轴输出扭矩允许的范围内，以确保第四轴的安全使用。如图3所示，缓冲弹簧11的最小预加载荷应大于工件的总夹紧力Wk4，最大工作载荷应小于第四轴输出扭矩折算到丝母上的推力。第四轴与丝杠联接采用安全联轴器，联轴器的过载扭矩也应小于第四轴的输出扭矩。
　　为保证夹紧滑块夹紧可靠并减少第四轴的受力，滑块的斜面要求自锁[1]，即满足斜角α

2夹紧力的计算
　　2.1切削力计算[2]
　　根据工件材料的硬度和种类查出或直接得到工件抗拉强度σb（GPa），再根据立铣刀直径d0（mm）、齿数Z、侧吃刀量αe（mm）、被吃刀量αp（mm），每齿走刀量αf（mm/Z）计算出切削力。
　　①主切削力Fz
　　Fz=9.81·kFz·CFz·α■■·α■■·d■■·α■·z（N）
　　式中CFz—不同材料的铣削力系数；
　　kFz—不同材料的铣削力修正系数，kFz=（σb/0.736）0.3；
　　②走刀抗力FH
　　FH=（1.0～1.2）Fz（N）
　　2.2工件夹紧力分析
　　实际加工中，除切削力外，影响加紧力的因素很多，就严格意义而言，加紧力的计算只是一个粗略的估算值，计算也非常复杂[3]。如图4所示，Wk1为工件纵向夹紧力，Wk2为工件横向夹紧力，Wk3为产生Wk2的纵向夹紧力；Wk4为纵向和横向夹紧工件所需的夹紧力之和，Fs1和Fs2分别为纵、横向弹簧复位弹力，α为夹紧滑块斜角，A、B分别为夹紧力相对压紧销和工件的位置尺寸。
　　假设工件夹紧最不利的情况，即走刀抗力FH在纵横向都与夹紧力方向相反，加工的走刀路径如图5所示。忽略摩擦力后，各力之间有以下关系。
　　Wk4≥Wk1+3Wk3+Fs1（N）
　　Wk2≥FH+Fs2（N）
　　式中，纵向和横向复位弹簧弹力Fs1和Fs2可根据弹簧的尺寸参数和材料计算，Wk1max=FH；Wk3max=Wk2·tanα。
　　2.3第四轴输出扭矩验算
　　设第四轴的输出扭矩为N（N·m），通过丝杠对丝母产生的夹紧力为：
　　Wk4=■≥Wk1+3Wk3+Fs2
　　式中d0—丝杠4螺纹中径；
　　φ—螺纹处摩擦角，φ=tan-1f3（f3为丝杠与丝母之间的摩擦系数）；
　　N—第4轴（转台）的输出扭矩N·m。

3工件的加工程序
　　编程坐标系设置在工件的顶面左上角。用G54、G55、G56在三个工件上依次建立坐标系，加工程序如下[4]：
　　主程序
　　%
　　00010
　　N10G40G49G80G90
　　N15T1M6
　　N18G43H1
　　N20G00G54X0Y0Z250.0
　　N25G01A30.0（A30.0为夹紧滑块退回到工件装夹位置时的A轴位置，一般取一个大于零的值，以便开机回零时A轴有一定的回零余地，这个值在夹具安装时通过调整夹紧滑块的位置确定）
　　N28M0（安装工件，完毕后按循环启动继续）
　　N30G01G91A480.0F60.0（夹紧工件，A轴旋转480°，夹紧滑块推进距离为丝杠导程×旋转圈数）
　　N35M0（观察夹紧状况，夹紧正常按循环启动继续）
　　N40G90
　　N45S1000M03
　　N50M98P0011
　　N55G00G55X0Y0
　　N60M98P0011
　　N65G00G56X0Y0
　　N70G00P0011
　　N75T02M06（换2号刀，精铣三角槽）
　　N80S1200M03
　　……
　　N600M05
　　N605G01G91A-480.0（A轴反转，夹紧滑块退回）
　　N610G90
　　N615M30
　　%
　　粗加工子程序
　　%
　　00011
　　N10G00X47.69Y-26.15Z2.
　　N15G01Z-2.0F30.0
　　N20G01X21.86F60.0
　　N25G01Y-22.65
　　……
　　N300G01X47.69Y-25，91
　　N305G01Z2.0
　　N310G00Z250.0
　　N315M99
　　%

4结论
　　以上分析计算证明，在数控加工中，通过夹具的合理设计，利用第四轴作为动力源对工件进行加紧或定位，可以提高设备的利用率，提高加工效率，还可以有效地提高加工的自动化程度。

参考文献：
　　[1]叙鸿本.机床夹具设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2004：23-25.
　　[2]华南工学院，甘肃工业大学.金属切削原理及刀具设计（下册）[M].上海：上海科学技术出版社，1984：40-48.
　　[3]叙鸿本.机床夹具设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2004：23-25.
　　[4]法信有限公司.HASSVF和VS系列加工中心机床手册[Z].