1 序言
在切削加工领域，CNC铣床应用广泛，具有适应性强、能加工复杂轮廓和加工精度高等特点。 如图1和图2所示的零件类型，是模具行业常见的冲头和成型件，需要用CNC铣床加工成型台阶、R角和C角等特征 。这些零件的外形均采用慢走丝机床或者磨床精加工过，具有外形尺寸不大，但种类繁多、尺寸规格差异很大、单批次数量少（甚至是单件加工）及切削量和切削力不大的特点，有的零件外形有凸出的“挂台”特征。
图1 小尺寸、细长类零件
图2 异形、难装夹零件
具有以上特点的零件，用传统的磁台吸附或者精密虎钳装夹很难，要么容易产生变形，要么校表和找零点时间很长，经常出现装夹找正时间超过加工时间的状况；有些根本无法常规装夹，被迫制作专用夹具。这样造成机床待机时间长，降低机床稼动率，或者增加专用夹具制作成本。
笔者曾经是一名模具行业的CNC铣床操作人员，工作中要加工大量模具冲头，或者成型镶件的R角、C角及成型3D曲面。如果是外形尺寸较大的零件（见图3），采用磁台吸附就可以胜任装夹任务；如果是外形尺寸较小、形状方正的小工件，大多数可以采用精密虎钳装夹，如图4所示。
图3 可用磁台直接吸附类零件
图4 可用虎钳装夹类零件
当遇到图1所示类型的工件时，虽然精密虎钳仍可装夹，但是因为零件外形尺寸很小，消耗在配垫块、校正平面度或者垂直度及寻边找零点的时间很长。如果遇到图2所示工件，精密虎钳几乎束手无策，基本上都要制作专用的夹具（见图5）才能加工。
图5 配作专用夹具装夹示例
随着图1、图2所示零件类型在工作中越来越多，操作人员都非常苦恼，不仅劳动强度增加了，而且容易出错。对于企业来说，使昂贵的数控机床停机，在装夹找正上浪费了很多时间，产能和利润都大大降低。
因此，笔者设计了本文所述的夹具，虽然不能适用于所有的工件，但是面对图1、图2所示类型零件均可以轻松、快速地完成装夹。
2 夹具设计
2.1 夹具设计基本思路和原理
回想设计此夹具时的思路，其实还是借鉴和改进了精密虎钳的装夹方式。一般在使用精密虎钳装夹小零件时，会在虎钳侧方向锁一个挡块，如图6所示。目的是在X方向精定位，但实际上这种挡块只能作为粗加工的定位使用，原因是X方向没有顶紧力，零件与挡块不确定是否可靠贴合。
特别是图6所示的细长零件，必须拆下侧面挡块，针对Z轴的垂直度打表校正后，再对X、Y零点精确地寻边取数，否则很容易造成加工报废。
图6 虎钳辅助X向定位示例
从这个角度思考，想要解决问题，把精密虎钳改成X、Y方向都能施力，同时，在Z方向增加可调整的定位块，以适应不同高度尺寸的零件。
图7所示零件的外形方正，使用一个高精度直角的夹具主体，被加工零件在受到F1、F2的顶紧力后，零件本身的平面会自动贴紧夹具面。
图7 外形方正零件受力分析
图8所示零件的外形并不方正，但是可以把Y方向的2个圆弧切线看作一个平面，X方向圆弧线作为一个定位点，在受到F1、F2的顶紧力后，零件也会自动贴紧夹具面。
基于以上基本受力分析，设计了下文所述夹具。
图8 异形零件受力分析
2.2 夹具设计的细节
设计的夹具如图9所示，接下来详细讲述夹具各部分。
图9 夹具
1—夹具底座 2—顶紧螺钉 3—螺塞 4—X、Y锁紧手柄
5—螺母支撑块锁紧螺钉 6—传力杆导向块锁紧螺钉
7—螺母支撑块 8—方螺母 9—传力杆导向块
10—X、Y方向传力杆 11—定位主体 12—Z方向可调定位块
13—Z方向定位导向块 14—锁紧螺钉
（1）夹具主体与底座 夹具主体的精度决定此夹具在应用时的定位精度，非常重要（见图10）。
1）通过分析夹具受力状态，夹具主体应该做成整体（整体结构，不能做成分体）[1]，避免受顶紧力后，夹具主体本身产生变形和位移。
2）主体两个工作面的垂直度以及与底面的垂直度非常重要，应该控制在0.002mm以内。
3）直角根部必须做清角处理（见图10的放大图）[2]。
图10 底座与定位主体
4）底座与夹具主体采用0间隙或过盈销钉定位，3×M10螺钉锁紧，可靠联接[3]。
5）底座与机床台面联接，其外形和联接螺纹孔位置根据不同机床特别定制。
（2）X、Y方向顶紧部件的活动范围与配合间隙 如图11所示。
1 ）传力杆导向块与定位主体间隙控制在0.02mm以内，可以在滑槽内活动，根据不同大小零件和施加顶紧力不同位置来确认位置，位置确定后用传力杆导向块锁紧螺钉轻轻顶住即可，传力杆导向块上的方孔与外形的垂直度必须控制在0.01mm以内。
2）X、Y方向传力杆与传力杆导向块方孔的间隙控制在0.005～0.01mm，以确保顶紧力方向基本垂直于定位主体定位面。
3）X、Y方向传力杆的上表面必须低于定位主体上表面。
图11 顶紧部件细节
1—顶紧螺钉 2—方螺母 3—传力杆导向块锁紧螺钉
4—传力杆导向块 5—X、Y方向传力杆 6—定位主体
（3）Z轴方向定位部件 如图12所示。
1）Z方向定位导向块可快速放入定位主体的两个方槽，以应对高度相差很大的被加工零件在Z轴的 定位调整，其配合间隙控制在0.005mm以内。
2）Z方向可调定位块设计了高低不同的2种尺寸，与Z方向定位导向块配合间隙控制在0.01mm以内，并用锁紧螺钉顶紧齿槽。
图12 Z轴方向定位部件
1—定位主体 2—Z方向定位导向块 3—Z方向可调定位块 4—锁紧螺钉
（4）顶紧施力机构 如图13所示。
1）经过实践验证，顶紧螺钉采用模具行业通用的12.9级M8螺钉就可以满足顶紧强度要求[3]。
2）方螺母需要特别制作。
3）X、Y锁紧手柄中间有通孔，可以穿过六角扳手。因为此夹具针对的加工对象切削力不大，所以一般情况下，用手通过X、Y锁紧手柄的齿形施加顶紧力就足够了；切削力较大时，才需要用六角扳手加强拧紧力。
图13 顶紧施力机构
1—X、Y锁紧手柄 2—螺塞 3—顶紧螺钉 4—方螺母
3 夹具应用展示及使用技巧
图14是夹具实物的一个应用状态。
图14 夹具应用
此夹具在实践中经过几次小的更改，解决了行程调整、锁紧方面的一些小问题，已经成功应用多年。以下将从实际应用的角度，介绍此夹具加工精度控制以及使用技巧，避免大家走弯路。
3.1 夹具加工精度控制
定位主体是精度要求最高的部件，其精度高低决定着夹具本身装配精度以及被加工零件的定位精度。上表面和底面的平面度要求：平行度＜0.002mm，垂直的定位面与上、下表面的垂直度＜0.003mm；其他导向槽、方孔也需保证0.005mm以内的平行度和垂直度。
材料方面，应尽量选择强度及稳定性较好的材料，笔者采用的是一胜百ASSAB88，淬火硬度58～60HRC[1]。
加工工艺方面，因为作为定位功能的直角面CD去除余量较大，所以建议热处理后，先用快走丝粗加工，再去应力回火，最后采用高精度慢走丝机床精割，这样才能保证夹具垂直度精度和尺寸稳定性。
3.2 必要的附件制作
为了适应被加工零件的不同尺寸及外形轮廓，且有些零件有不同大小的挂台（见图1、图2），需要提前制作图15所示的各种不同尺寸、长度和厚度的顶杆及侧向垫块，并且制作一个“5S收纳盒”以利于操作技术人员提前选用合适的附件，减少准备和停机时间，也利于公司日常的5S管理。
图15 多种尺寸顶杆、侧挡块及5S定置收纳盒
3.3 夹具使用技巧分享
1）X、Y、Z编程零点放置及上机设定：①建议把夹具固定在某一台机床的专用位置，尽量不要拆（见图14所示的已固定到机床的状态）。②编程时X、Y加工零点尽量设置在直角边的交点处，可重复调用。③夹具上平面作为“Z轴参考零点”保存在坐标库中（见图16）。编程时Z轴零点放置在零件最高点时，采用千分表测出零件顶面与夹具上平面高度差值后，输入Z轴补正值来实现，提高Z轴设定效率。
图16 Z轴零点快速设定示例
2）夹具主体及附件需要退磁（定期退磁），被加工零件提前做好去毛刺，清洁工作，确保夹具基准面与零件的正确贴合。
3）操作技术人员经验和手感的培养：①不同外形零件根据其与夹具贴合面积的大小确认主要贴合面和次要贴合面（见图17），对应的顶紧力则为主要力F1和次要力F2。②在施加F1、F2时，要掌握一些技巧，首先F1、F2作用于零件，使其X、Y方向都与夹具面贴合到零间隙，但不夹紧，用手上下推动被加工零件，感觉零件与夹具的侧面贴合触感以及与底面Z轴定位点的接触效果，可判断是否有切屑、毛刺干涉，然后优先顶紧接触面积比较大的力F1，再顶紧接触面积比较小的力F2。③刚开始使用此夹具，可以在顶紧后，经常用千分表检验零件贴合面或者圆弧高点连线与机床X、Y导轨方向的一致性误差，很快就会形成良好的手感。④当使用垫块来避让零件挂台时，建议采用带小磁铁“吸棒”辅助垫块的初定位，如图18所示。
图17 主、次力区分及施力示意
图18 磁铁吸棒巧用示例
4）可拓展加工超行程零件。此夹具在实际应用中可以装夹超过理论装夹范围的零件（见图19），不过要注意施力点的选择，并检测零件上表面水平度，如果超差，一般是零件本身垂直度误差或者顶杆施力点过高造成。
图19 拓展装夹范围示例
5）对于位置精度要求特别高（0.003mm以内），或者要求绝对分中的零件，建议重新寻边找正X、Y零点。
6）针对无法直接顶紧、仍需制作专用夹具的零件，这里也提供相对更简单、低成本的解决方案。
如图20所示，如果像左侧打“×”的图那样直接顶紧，工件会产生旋转，无法正确装夹；推荐采用打“√”图所示方案，用慢走丝机床切割一个小的辅助定位块，就可以实现精准定位，省去制作大尺寸专用夹具的时间和费用。
图20 无法直接施力零件装夹示例
4 结束语
CNC铣床在切削加工领域占据着非常重要的地位，一家模具公司（或者从事模具零配件加工的公司）能否高效率地应用CNC铣床，高精度地生产出产品，在一定程度上体现出公司技术实力，同时也决定其运营成本和市场竞争力。
本文所展示的CNC夹具在加工“小型、异形”模具零件的细分领域因为其出色的通用性、快速性（单件时间1～2min以内），能使装夹效率提升90%以上；且此夹具定位精度高，极大程度地降低错误和报废风险。
参考文献：
[1] 于骏一，邹青. 机械制造技术基础[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[2] 徐起贺. 机械创新设计[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[3] 闻邦椿. 机械设计手册[M]. 5版. 北京：机械工业出版社，2010.
转载来源：罗树宏. CNC铣床小型、异形零件快速定位夹具设计应用[J]. 金属加工（冷加工）, 2022, (6): 41-45,47. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1641.2022.06.010
