環形薄壁件加工中的脹緊減振夾具設計

趙運航 潘寶山 羅 敏

(1、中航工業黎明產品檢驗檢測中心，遼寧 沈陽 110043 2、中航工業黎明導噴廠，遼寧 沈陽 110043)

1 引言

隨著飛機性能要求的進一步提高，其結構具有輕量化、薄壁化和整體化的特點。因為薄壁零件具有重量輕，節約材料，結構緊湊等特點，薄壁零件已日益廣泛地應用在現代航空工業中。環形薄壁件在軍民品生產中都占有極大的比例。

所謂薄壁零件就是圓直徑與壁厚之比D/б=50～150，壁厚 б 介于 0.25～2mm 之間的零件，這種零件是典型的弱剛性零件，相對剛度較低，強度較弱，加工工藝性差，特別是在對零件形狀，尺寸精度要求較高的情況下，它們對振動、切削力及切削溫度等均十分敏感，加工起來易變形和產生振動，不易控制加工精度和提高加工效率。特別是越接近最終加工尺寸時加工起來越困難。對此類航空薄壁零件實現高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造業面臨的一個重要課題。

2 被加工零件工藝簡介

某薄壁結構件中介外部機匣（結構圖見圖1）直徑近400mm，局部壁厚只有1.14mm，且其壁厚要求均勻，壁厚差要求控制在0.05mm以內，而且它的內壁具有16.28°的傾角，使得加工更加困難。在加工過程中，為了減少零件的變形，保證加工質量和精度，雖然在工藝上采用了諸多辦法，例如控制材料質量，合理采用工藝方法，預留合理的加工余量，合理選擇加工參數等，但如果能在加工過程中采用一些輔助工裝，減少或消除加工中的振動，則相當于減少了加工變形系數，從而提高加工質量和精度，經過反復地研究論證，最后我們設計了一種用于環形薄壁件加工的減振脹緊裝置，用以解決薄壁件加工變形問題，提高產品合格率和生產效率。

圖1 被加工零件圖

3 脹緊減振夾具的設計

環形薄壁件在加工過程中產生振動和變形的根本原因是切削過程中切削力在各種因素的干擾下產生的，為使夾具在零件加工中起到減振和防止變形的作用，必須滿足以下幾個條件：

(1)夾具表面必須緊貼于被加工零件表面；(2)要有適當及足夠的脹緊力；(3)夾具選材要有一定的減振功能；(4)夾具便于調整和裝卸。

為此在設計時我們采用了雙錐體自定心脹緊結構，利用聚氨脂橡膠做脹緊材料，聚氨脂橡膠耐磨損，減振緩沖等性能良好，工作狀態下，聚氨脂橡膠脹環能與被加工零件表面緊密貼合，接觸面均勻，能有效地消除薄壁件加工過程中的振動及變形，同時避免損傷零件基準面，使零件達到預期的加工效果。夾具具體結構見圖2，其中脹環N01采用聚氨脂橡膠做材料，其它部件均采用45#鋼。

圖2 環形薄壁件用脹胎減振夾具裝配圖

3.1 工作原理

工作時，先將夾具放入工件內，使其位于工件要求脹緊的位置，然后，擰緊螺母N010，通過夾緊力使其上斜環NO3和下斜環NO2同時向中間移動，在上、下斜環斜面的作用下，脹環NO1得以變形脹緊，緊貼于工件的內表面，當脹緊力達到理想狀態時，再將限位桿N06調到位，擰緊螺母N011起固定作用，然后便可加工零件。零件加工完成后，松開螺母N010，上、下斜環在彈簧N09的作用下，向相背方向移動，脹環NO1恢復自然狀態，零件可以順利取出。

減振脹緊夾具是輔助夾具，因此夾具要考慮與主夾具的定位問題，本夾具通過N02下斜環的底面和外圓實現與主夾具相配定位，如果需要角向定位則可以增加角向銷定角向。

3.2 聚氨脂橡膠脹環的設計原則

如圖3所示，在設計脹環時，我們采用聚氨脂橡膠作脹緊材料，因為聚氨脂橡膠具有耐磨耗、高強度、高彈性、耐高壓、減振性強、高承載和減振緩沖等良好性能，加工上既可機械加工成型，又可壓鑄成形，由于脹環在夾具中主要起減振防變形的作用，所以尺寸要求不需很嚴格，型面只要能保證設計要求，能在脹緊狀態下與工件貼合即可。

脹環設計有外斜面與工件相配合，設計有錐體面與上下斜環相貼合。為達到良好的減振作用，它的厚度值應盡量取得大一些，但如果厚度值過大會產生脹緊量不均的現象，通過反復試驗總結出其厚度值一般為半徑R的10%左右較為合理，在與工件貼合表面直徑值一般取與工件尺寸單邊有0.2～0.5mm間隙值即可，這樣在裝卸工件時方便可靠，脹緊時又能達到要求。

圖3 聚氨脂橡膠脹環

3.3 上下斜環的設計原則

上斜環No3，下斜環No2一方面起主體支架的作用，另一方面起著產生脹緊力的作用，上，下斜環設計有錐體面，其角度設計既要考慮脹緊值的大小，又要考慮具有足夠的行程，并保證與脹環角度相符，角度一般在10～18度之間。其結構在設計時盡量簡單合理，重量不宜過重。由于上斜環與心軸的相對運動比較頻繁，磨損量較大，因此在上斜環處設計有襯套，以便于維修和拆換。在兩斜環中間裝有彈簧，作用是松開螺母時，上，下斜環在彈簧力的作用下自動脫開，恢復到自然狀態。

4 推廣與發展

本研究成果已應用于航空用環形薄壁件的加工中，夾具利用兩斜面在壓緊時脹緊聚氨脂橡膠脹環，保證適當并有足夠的脹緊力，通過螺母和螺紋限位桿調節，便于調整和裝卸。結構簡單，制造使用都很方便，解決了零件加工變形和振動難題，環形薄壁零件的加工質量和零件加工精度都有大幅度的提高，零件加工合格率提高到90%以上，降低了單件加工成本。

目前許多國家的航空企業在加工環形薄壁件時均采用一些內脹，外卡輔助工裝進行減振防變形。在國內的軍民品生產中，環形薄壁件較多，產品加工后變形較大，往往影響加工和裝配質量。應用這種脹緊減振夾具將極大地提高環形薄壁件的加工質量和精度。

隨著科學技術的飛速發展，薄壁零件將日益廣泛地應用在現代航空工業中，因此，這種環形薄壁件用脹緊減振夾具將具有更加廣闊的應用前景。

[1]徐鴻本主編.機床夾具設計手冊.遼寧科學技術出版社 2004.3

[2]劉守勇主編.機械制造工藝與機床夾具.機械工業出版社.1994

[3]黃奇葵等.機械制造基礎.華中理工大學出版社.1993