图1  在底座夹具上安装一个工件的毛坯件，将其从托盘表面上吊起，这样，在五轴内运动的刀具可以达到零件的顶部和所有四个加工面

高效五轴加工用的工装夹具必须为刀具的运动留出足够的空间，但这并不是唯一需要考虑的问题。

近年来，具有五轴联动加工能力的立式加工中心开始普遍使用。这类机床的经济性越来越好，而且易于编程。最重要的是，它们非常适合于复杂几何形状的加工，在航空航天、医疗、油田和模具行业的生产中，常常会碰到这类特性化的工件。

对于这些应用领域，利用五轴联动加工的特点，可以使刀具从多方面接近工件。然而，主轴头及其向外伸出的刀具也许需要一些额外的“活动空间”，以执行复杂的五轴编程指令。工件夹紧装置和工作台台面可能会挡住刀具的行程路线和限制五轴的运动。在工件处于被动旋转和倾斜的五轴联动机床上，这个问题显得更为突出，然而在配有关节式加工头的机床上，由于刀具随着加工头倾斜或旋转，因此上述问题就不那么突出。

图2  Jergens公司的模块化系统包括从工作台上起吊工件用的全部组件，以保证工件的固定夹紧，保持加工台面上无任何障碍。底层的子基座底板可使整个调试设置工作迅速地在机床上开始和结束

正如以上所说，五轴联动机床正在越来越普遍得到应用。为了响应这一潮流，一些供应商已经开发了专用工装夹具系统，以解决工件夹紧过程中可能出现的特殊困难。

专用五轴夹具系统的主要目的，是为了将工件从工作台上提升起来，然后为便于数控操作，使其在最佳的位置/方向上就位，并牢固地夹紧。其他出于竞争的考虑，也会影响到这些专用系统的设计，因此会与它们的风格和配置有所不同。用户必须仔细地评估各种选择是否能满足他们的需求。

需要考虑的设计特点包括其灵活性、模块化特性、刚性，夹紧系统的安全性，经济性、零件位置的重复精度以及与其他工装卡具的匹配性。另外值得考虑的是如何能够进行快速的调试或变换，如何能够使组件很容易地定制化生产，如何使组件能够适应在车削加工设备、卧式机床、磨床或坐标测量机上的可能使用。

图3  这种模块化组装件由一套Jergens公司250mm法兰提升器、一个在其下面的130mm适配器和自定心台钳组成

通过对这些系统中其中一小部分系统的粗略观察，可以看到其中所提供的系统范围，以及对开发一种高效五轴工件夹紧战略应引起注意的一些关键概念。

安装于底座上的工件夹紧装置

几种五轴夹具系统所具有的显著特点是，拥有一个基本的底座式夹具，配有圆脚或方脚和坡形或锥形侧边，使其变成一个锥形轮廓的夹具。这个夹具的高度可以升降，使工件与工作台之间形成一个间隙，同时，该锥形夹具可增加被加工件表面以上的暴露部分。

在这些底座式夹具上发现的另一个显著特点是采用燕尾槽夹紧方式。夹紧表面的对立面上开有带角度的凹槽，与沿着工件下边多余材料上加工的匹配槽衔接。（以后，这一“燕尾槽衔接带”必须从工件上切除）。当夹具与工件底部的燕尾槽衔接带接合时，其产生的接合力和稳固性是极强的。这种燕尾槽接合力，只要求在工件上允许保留少量的加工余量。

图4  为满足燕尾槽夹紧系统的需要，适配器及其台钳采用一燕尾式台钳取代，例如像这里图中所示的130mm版台钳。燕尾槽夹紧系统可使工件与夹具之间产生一个强有力的刚性连接

一般来说，底座式夹具系统包括一套子基座底板、提升器和适配器，以满足模块化和灵活性需求。目前最广泛使用的系统之一是5轴快速更换卡具系统（5-Axis Quick Change Fixturing System），由Jergens公司提供。该公司还推出了该系统所提供的快速更换件和选配件。该公司声称，作为一个基础，带有各种形状和螺栓孔的子基座底板可以将该系统安装到任何机床上或旋转工作台。在子基座底板上还可配置该公司专有的球锁式安装系统（Ball Lock Mounting System）或QLS系统（Quick Locating System快速定位系统），以便它可以迅速地从机床上拆卸下来。

一套底座式提升器可安装到子基座底板上（也可选用快速紧固/快速释放螺栓）以适应工件的尺寸，使其在工作台台面上留出所需的高度。提升器的顶板既可以是适配转接板，也可以是该公司的落地式锁紧托盘交换装置（Drop & Lock Pallet Changer）。后者配有夹紧组件，附加适当的拉杆，在其落地就位后，用六角扳手拧紧两圈将其固定。该夹紧装置可以是燕尾式台钳或一套配有可移动夹爪的五轴、自定心台钳。其所提供的这两类台钳有不同的尺寸和不同的样式。该系统的所有组件全部用钢材制造。

该公司还强调了其快速更换夹具元件可重复定位的有关规定及该系统的重要性。它是采用交接元件之间的中心定位销或正时定位销来达到这一目标的。

图5  工件毛坯件底下的那条“燕尾衔接带”与夹具上的燕尾槽相交接。Raptor RWP-001型底座卡具带有一条宽1.5in的燕尾槽。毛坯件的尺寸约为4in宽，6in长和7in高，其生产的零件如图1所示

专用夹具

另一种模块化系统，配有锥形底座式夹具与燕尾式夹紧装置，由Raptor工件夹具产品公司提供。该系统由南加利福尼亚州的两家航空航天工作车间协作开发，是围绕五轴加工中心，为这两个车间使用托盘化生产单元而专门定制的。该燕尾式基础卡具由阳极化处理的铝材或不锈钢制成，其所提供的产品分几种尺寸。不同样式的适配器转接板，可以使燕尾式夹具安装到工作台上或某些制造商提供的、特型机床的旋转装置上。供选用的提升器可为夹具轮廓装置提供更大的间隙和额外的高度。

该公司报告称，许多用户将多个燕尾式夹具附加安装到托盘上，这样它们就变成了可重复工作的专用工件夹紧装置。鉴于这个原因，夹具的经济性是非常重要的。

按照开发商的说法，除了其它设计形式之外，一些特点决定了基本型Raptor夹具的功能。例如，在该夹具的一侧上，一个燕尾式交接面作为一个固定式挡板，然后在其相对的一侧上，用装有弹簧的不锈钢燕尾式夹具，将工件固定。另一个特点是，一个与固定挡板相邻的定位螺钉，为工件定位提供方便，防止零件朝后安装。为夹紧工件的目的，在工件的夹紧侧面上必须加工一条很浅的燕尾槽。这条燕尾槽的高度只有1/8in，因此它所要求的额外加工余量是很少的。同时，也必须铣削加工一条与定位螺钉相匹配的凹槽，以便将工件安装到夹具上，操作员只要简单地将燕尾槽的一侧，对着夹具的固定测就位就可以了，然后将夹具拧紧固定。这可以将加工的材料紧紧地压向固定的侧面上。然后拧紧夹具上的螺钉，使工件固定。

现在，Raptor系统包括一套安装在现有夹具组件顶部的模块化工件夹紧装置。这些模块化的夹具，可以使车间适应加工不同尺寸的工件，不需要从机床的托盘上卸除夹具。该公司通过提供与其原来燕尾式夹具相匹配的元件，提高了其夹具配置的更大灵活性。例如，一个23in高的碑式夹具装置，在其四侧的每一个面上可容纳三套Raptor夹具。一块2X板可用螺栓固定安装两套成排的夹具，用于夹紧很长的零件。一套Raptor两用夹具，可通过将两个燕尾槽夹紧区组合在一起，夹持两个零件，每边夹持一个零件。四面安装夹具的Raptor Nest夹紧系统，有四个工位，可用来夹紧夹具装置。

图6  在夹具上安装夹具，使Raptor系统的模块化特性得到充分展示

高高耸立的立式台钳

实践证明，采用移动式夹爪夹紧的台钳，自最早期的机加工以来，已成为铣削加工操作中一种成熟的工件夹紧方法。这些装置的设计和制造随着数控加工技术的发展而取得不断的进步。为满足五轴夹具目标而设计的台钳已经出现，这不足为奇。

从本质上来说，这些台钳的特点是采用立式格局，可在工作台上方的适当距离上，直立地夹持工件。当其在下面施加夹紧力时，为了保持直立状态，防止其在顶部散架，夹紧螺钉的位置紧靠夹紧表面。

由Kurt公司提供的Maxlock 350型多轴Anglock台钳，就是这种系统一个很好的例子。一方面，固定式夹爪位于4.625in高的立架顶部，该立架可安装于2in×2in的标准网格图形上。一个供选用的提升器可将其再提升3in的高度，与100mm大的网格图形匹配。可移动式夹爪的行程为0.625in，横跨在其自身的基础之上（它也可以与一个任选的提升器一起使用）。

夹紧螺钉位于夹紧表面附近的立架顶端。它具有高达7000lb的夹紧力，其输入扭矩为40lb。其所配用的螺钉长度分别为8in、18in和24in，可使台钳夹持任何零件，然后固定在工作台上。采用这种模块化的设计，夹爪的最小开口度为0.15in，最大开口度15.5in，其螺钉采用标准长度。夹爪的宽度为3.5in。这一台钳具有“Anglock”的锁紧特点，采用该公司的独特设计，其内部的螺钉螺帽可在工件上产生一个向下的压力，与台钳夹爪施加的侧向夹紧力成正比。Kurt公司原先的部分创新是在台钳的设计方面，当夹爪上紧时，Anglock原理抵消了零件上升的倾向，因而对它们的夹紧力产生负面影响。

图7  像Kurt公司Maxlock 350型那样的高性能台钳是这样设计的：其夹紧力可以施加到工件附近的表面上。在这里图中所示的台钳安装在配有任选提升器的T型槽工作台上

保护投资

对于大多数车间来说，采用五轴联动的加工方式，意味着需要一笔相当大的投资，其中不仅包括机床、或许也包括切削刀具、编程软件和工装夹具。如果他们需要升级，以发挥五轴联动加工的大部分生产加工能力，那么只在产品上动节约的脑筋是没有经济意义的。

当谈及到五轴工装夹具时，加工车间必须作出决定，其是否需要购置比厂内生产的某些或全部夹具和元件更高价值的商用五轴工件夹紧系统。在作出这一决定时，其中最重要的因素很可能是其响应的时间——尽可能快地做好调试装卡工作。在那种情况下，对于五轴联动加工而言，全套系统的灵活性和模块化设计可能是无懈可击的。