夹具最早出现在18世纪后期，随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统(FMS)等新加工技术的应用，使现代机床夹具向标准化、精密化、高效化、柔性化的方向发展，并对机床夹具提出了更新的要求。现代机床夹具的主要特征表现为：(1)定位准确、夹紧可靠并能实现快速装夹；(2)能装夹具有相似特征的工件；(3)能适应精密加工工件的装夹；(4)能适应柔性化生产；(5)配备液压站等为动力源的高效夹紧装置；(6)提高夹具的标准化程度。
门五金件孔槽加工是木门生产加工、装配的一个重要环节，也是木门生产机械化、自动化的一个难点。传统的门五金件孔槽加工装夹方法采用人工手动或机动进给的夹紧方式，每加工完一个孔槽就要重新定位夹紧，造成严重的累积误差，加工精度和加工效率低。在我国还没有一次装夹能够完成门五金件孔槽数控加工的集多工序、多工位一次加工于一体的门五金件孔槽数控加工设备。近年来，德国、意大利、日本等国家先后开发出数控门铰链槽和门锁孔、锁槽的加工专机。这些机床实现了木门铰链槽和锁槽、锁孔的加工高速化、高精度化、集成化、柔性化和智能化。但是，单件设备价格高达百万元，铰链槽和锁槽、锁孔必须分两道工序，在两台机器上分别加工或在同一台机器上分两次装夹加工。为了适应门五金件孔槽加工对夹具的要求，实现门五金件孔槽在一台设备上一次装夹完成全部自动加工，提出一种新的门五金件孔槽数控加工夹具设计方法。
1 门五金件孔槽数控加工原理
门五金件孔槽主要有合页槽、门锁孔槽(有门闩槽、片槽、异型槽、门锁孔)、门把手孔等孔槽，闩槽与片槽有一个共同对称中心线分布在木门的一侧，合页槽分布在另一侧，木门正面的锁孔分布在闩槽与片槽一侧。门锁孔槽形状的仿真模型。
门五金件孑L槽采用数控加工时，机床工作台走向为戈轴方向，水平垂直工作台走向为Y方向，在立柱上有一垂直方向垂直于工作台面的刀具机构，进给方向为z轴方向。合页槽刀具机构垂直方向垂直于工作台面的进给方向为形方向。由于门五金件孔槽数控加工机床要实现木门锁具孔槽、合页槽在木门两边同时进行数控加工，至少要有6个数控轴，实现两个位置同时进行三维加工。为了减少机床轴数，简化机床主机结构，降低编程难度，提高机床工业化推广的性价比，采用门锁孔槽Y轴与合页槽y轴共用，实现一轴双控。通过离合装置智能控制实现两个位置的数控加工进给。合页槽、锁槽、锁孔3个刀具机构通过数控装置控制同时完成合页槽、锁槽、锁孔及异型槽的开制。
2 门五金件孔槽数控加工机床夹具设计分析
门五金件孔槽数控加工机床的夹具设计在满足定位和夹紧功能的前提下，为了实现定位准确、夹紧可靠并能实现快速装夹，门定位以后必须采用一定的机构把门固定在定位基准上夹紧，使门在加工过程中，不会由于切削力、自身重力、离心力或惯性力等力的作用而发生位移或产生震动，以保证定位准确、夹紧可靠；快速装夹的目的是为了缩短门五金件孔槽数控加工过程中的非增值时间，提高机床利用率。借鉴欧美发达国家的经验，可采用机械式快速夹紧装置，如汽缸、旋转油缸、夹钳等夹紧机构进行快速装夹的全自动化控制的尝试。
门夹紧机构的设计是否合理，对于保证产品的加工质量和提高生产效率有着很大的影响。因此，门夹紧机构设计时需要满足以下要求：
(1)夹紧时，保证门的定位精度、门五金件孔槽的位置精度，且精度稳定；
(2)夹紧力大小合理，夹紧准确、可靠；
(3)夹紧力的大小能够调节，被夹紧的门的变形小；
(4)夹紧装置结构简单，经济性好，制造容易，有足够的强度和刚度；
(5)夹紧装置设计符合工效学原理(人机工程学原理)，力求实现高效、舒适、健康、安全。
3 门五金件孔槽数控加工机床夹具结构设计
3.1 门五金件孔槽数控加工机床夹具定位夹紧方案
(1)定位面的确定
木门是典型的矩形工件，木门共有6个面，两个大平面(正面、下平面两个平面)、两个立挺边侧面、两个冒头边侧面。根据门五金件件孑L槽的分布位置，实现工件一次装夹。选择木门的下平面作为定位支承面(3个支承点)，限制三、咒、Y 3个自由度；锁孔槽一侧立挺的侧边为侧向定位面(两个支承点)，侧面1其限制了多、z向自由度；选两个冒头边侧面中的一面(一个支承点限制歪向的自由度。于是木门的6个自由度全部被限制，实现了6点定位。
(2)夹紧方案的确定
①定位与预夹紧方案的确定
由于门五金件孔槽是以门中心线或对称平面作为工序基准的，为了实现门的准确定位和对中，保证门五金件孔槽的准确位置和定位精度，采用对中夹紧机构，同时完成门的定位和预夹紧过程。对中夹紧机构能实现准确定心、对中，利用定位夹紧元件的等速移动或均匀弹性变形的方式，来消除工件定位基准面的制造误差，使这些误差或偏差相对于所定心或对中的位置，能均匀对称地分配在工件的定位基准面上，对中夹紧机构可以实现定位误差为零。
②夹紧方案与联接组件的确定
旋转油缸是液压控制系统中的一个主要执行元件，其结构与普通液压缸不同。在旋转油缸缸体内壁上加工出一段螺旋导槽，而在油缸活塞外圆面上安装一个钢球。当油缸内任一腔充油时，油缸活塞上的钢球沿导槽轨迹螺旋式上升或下降，带动活塞杆上的压板自动旋转并升降，从而实现夹紧、松开和躲刀功能。为了保证夹具夹紧可靠并实现快速装夹，采用旋转油缸固定在转接机构上构成的联接组件，联接组件在夹具体上采用机械式快速锁紧的方式。 3.2 门五金件孔槽数控加工机床夹具结构设计方案
(1)定位与预夹紧机构结构设计
夹头1与滑座4连接在一起，齿条9通过内六角螺钉安装在滑座4上，夹头5和滑座6、齿条7用同样的方式连接在一起。侧板3与滑座4焊接在一起。工作时，气缸2推动侧板3从而带动滑座4进而带动夹头1移动，同时由于齿条9的作用，通过齿轮8带动齿条7，从而带动夹头5移动，从而实现夹头1和夹头5同步对中夹紧。滑座4和滑座6下面有移动导轨(图中被挡住未画出)。齿轮通过轴与轴承固定在夹具体上。门对中夹紧机构是利用齿轮齿条啮合传动原理，采用气缸提供动力来实现工件的对中定位与预夹紧。
(2)夹紧机构结构设计
木门的液压夹紧工作过程：木门定位预夹紧后，油泵启动，通过电磁阀控制转夹紧机构油缸上升旋转，夹头调整到正确的位置后油缸转下降，夹紧工件。同时蓄能器充油，通过PLC编程设定一段时间，在这段时间内，各电磁阀保持状态，以保证蓄能器的补油；加工中夹紧油路通过继电器实现油泵向夹紧回路中蓄能器补油，保证系统压力；加工结束，系统全部卸压。
3.3 门五金件孔槽数控加工机床夹具总体结构形式
夹具总体由夹具底座、定位与预夹紧机构、旋转油缸组件夹紧机构、定位垫板等零部件组成。夹具底座由机床通用平台，布置油缸、气缸及管路等用途的平台板组成；定位与预夹紧机构在木门立挺的两边避开合页槽、锁槽加工区域，实现对中定位预夹紧，木门正面中心点为对刀及设定数控加工程序的初始点。旋转油缸组件夹紧机构布置在合页槽加工一侧，完成木门的快速装夹。定位、夹紧机构的布置与刀具机构以及五金件孔槽加工位置互不干涉。
4 门五金件孔槽数控加工机床夹具控制系统设计
4.1 门五金件孔槽数控加工机床夹具控制系统设计
(1)气动定位与预夹紧机构控制系统设计
根据木门定位与预夹紧的要求，气缸用于工件Y轴方向的对中定位预夹紧，2个单向节流阀分别控制气缸活塞杆伸出和回退的速度，三位四通电磁阀控制气缸的换向。调压阀用来调节气缸的工作压力，即控制Y轴上的工作压力大小。单向阀则用来防止压缩空气回流门。
(2)液动夹紧机构控制系统设计
系统通过定量泵2供油，由溢流阀3设定系统的最高工作压力，泵出El的单向阀5防止油液倒流，系统的压力可通过压力表7及开关6显示，电磁铁4控制泵在零压下的起动与卸荷。溢流阀8为背压阀，用于调整液压控制系统回路油压。夹紧机构液压控制系统的执行器由三个旋转油缸12，其运动方向由三个三位四通电磁换向阀10分别控制，并通过单向节流调速阀14对油路进行调速。电磁换向开关11用于调整改三位四通电磁换向阀10中的电磁铁换向。蓄能器18用于系统的起蓄能补油和缓冲，保证工件的夹紧力要求，系统的进油路定量泵2中设置了过滤器、回油路设置了过滤器19、冷却器20，保证油路的畅通和防止油温的过高。
4.2 门五金件孔槽数控加工机床夹具控制系统参数确定
门五金件孔槽数控加工时，木门除了承受自身的重力和夹具的夹紧力外，还要承受3个刀具机构7把钻铣刀具产生的切削力。门五金件孔槽数控加工机床最大加工木门的尺寸为门高、门宽、门厚为2 400min X 1 100 mm×60 mm，主轴转速高达12 000 r／min，刀具进给速度为6—15 m／min。经设计计算，对中预定位夹紧系统的气缸，选取外径D为20～25 mm、推杆直径d为8～10 mm，行程L为200～300 mm的前法兰式气缸；三位四通电磁换向阀选L10A，单向阀选L15A型；调压阀选L15A型；气源设备选用排气压力P为0．7 MPa的空气压缩机。
对于液压夹紧系统，主要考虑夹紧点产生的夹紧力、动力源的安全工作压力、系统的工作压力及流量等性能指标。由于是一次装夹完成所有五金件孔槽加工，加工时合页槽刀具与锁槽刀具所产生的切削力
向相反，互相抵消了部分切削力，残余的切削力可由对中预定位夹紧系统消除。液压夹紧系统所受的切削力主要来自锁孔加工刀具产生的切削力，以640 mm锁孔计算，刀具进给速度6 m／min，刀具转速12 000r／min，钻削力FC<700 N，进给力FU≤300 N，所产生的切削力分布在3个夹紧点上，每个夹紧点不超过2 kN，取每个夹紧点夹紧力为0.6 kN即可满足要求。系统的工作压力为5～35 MPa，夹紧力0.6～2 kN可调。液压夹紧系统元件选用成型部件或组件，其参数可根据系统的工作压力、夹紧力范围选定。
5 结论
(1)根据门五金件孔槽的结构特点及数控加工原理，对门五金件孔槽数控加工机床夹具设计进行了分析，提出一种新的门五金件孔槽数控加工夹具设计方法，满足了门五金件孔槽在一台设备一次装夹完成全部自动加工的需求。
(2)确定了门五金件孔槽数控加工机床夹具定位夹紧方案，设计了定位夹紧机构、夹具气动、液动控制系统以及夹具总体结构形式，创新性地运用对中定位预夹紧机构，实现门对中零误差定位，旋转夹紧机构实现了门五金件孔槽数控加工装夹的柔性化。
(3)该夹具系统能够实现木门全自动定位夹紧，实现一次装夹完成门五金件孔槽数控加工，提高了门五金件孔槽的加工精度且调整方便，节省了定位装夹时间，。提高了生产效率，对实现门五金件孔槽数控加工的规模化具有重要意义。
(审核编辑: 智汇胡妮)
