圓形六孔墊片的夾具設計

蘇楚蓮

（廣東省粵東高級技工學校，廣東汕頭 515041）

0 前言

在各類產品的加工過程中，一些帶有不規則孔的零件用通用夾具無法裝夾，例如不均布圓形六孔墊片，因此必須根據生產需要對這些典型的零件設置夾具，以滿足生產需要。本文通過分析該零件的結構特點和加工要求，設計了一套較合理的夾具，從而為保證該零件的加工精度提供一種經濟實用的工藝裝備，且具有一定的實用價值。通過對各種定位夾緊裝置的分析比較，選擇并組合了一套既能夠滿足加工要求又比較簡潔的裝置，同時又能降低工人的勞動強度，降低生產成本。

1 圓形六孔墊片零件的特點及加工過程中存在的問題

圓形六孔墊片屬于數控機加工零件類型中的一種，在機械加工過程中，具有減少振動和磨損的作用。如圖1 所示，該零件的外形要求是：圓盤直徑為70 mm，其上有五個直徑為20 mm 的小圓，分布不對稱，中間有一個同尺寸的小圓。由于該五個小圓與圓盤圓心的距離為25 mm，且其中四孔是分布在圓周四個象限點上，剩下一孔分布在角度為50°的圓周上。在數控車床加工過程中，要加工這一不均布的五個孔，難裝夾、難定位，而且對角角度難保證。鑒于上述原因，要在數控車床上加工其中五個孔是難以實現的。為了解決這一問題，要實現在數控車床上的加工，就必須設計一種相應易行的專用夾具，使在數控車床上加工該零件得以實現。

2 圓形六孔墊片零件的加工工藝分析

圖1 工件圖

如圖1 所示，圓形六孔墊片的直徑為70 mm，厚度為20 mm?，F有一半成品鑄鐵件，尺寸與零件尺寸相一致，表面精度也已達到要求，中間直徑為20 mm 的孔也已加工完成，如圖2 所示?，F要加工墊片上剩余的不均布的直徑為20 mm 的五個孔。根據上述外形及尺寸要求，如果采用普通的夾具裝夾，有下述難點難以克服：（1）由于加工孔位置的特殊性，難進行裝夾，難定位；（2）在保證不均布孔的角度位置時的裝夾找正的輔助時間較長，不能滿足機加工中高效率的需要。因此，需在車床原有裝夾裝置的基礎上，設計一個專用夾具，該夾具需滿足下述要求：（1）保證裝夾平穩，安全，可靠，即夾緊力足夠大，易定位；（2）易保證零件的尺寸精度及形位精度；（3）拆卸、安裝、找正工件的輔助時間較短；（4）能自動分度保證五個不均布孔的角度位置；（5）維修、更換易損壞部件方便。

圖2 毛坯圖

3 專用夾具設計[1]

在對該零件的五個特殊位置孔的加工工藝特點反復分析、研究的基礎上，夾具采用“兩面一孔”的原理來設計夾緊裝置，主要特點是上面附有自動分度裝置，以確保角度要求?？傮w上，它有如下特點：（1）保證裝夾平穩，安全，可靠，即夾緊力足夠大，易定位；（2）易保證零件的尺寸精度及形位精度；（3）拆卸、安裝、找正工件的輔助時間較短，工件夾緊時，在夾具裝置中的限位裝置的作用下，能保證位置的穩定性；（4）能自動分度保證五個位置孔的角度位置，自動分度裝置能按一定規律依次改變工件加工位置，從而保證孔的角度要求；（5）維修、更換易損壞部件方便。通過上述巧妙的設計，提高了該夾具的精度，滿足了零件的加工精度要求。

3.1 設計的關鍵

該夾具的設計關鍵，在于能利用彈簧對定銷，并根據分度頭中分度盤的定角度原理自動進行換位轉角度，以保證五個特殊位置孔的角度要求，且適應單件或多件同時加工，運用簡便、易操作。

3.2 設計過程

3.2.1 定位、夾緊裝置的設計分析

在設計過程中，車床夾具在結構上應基本平衡，自鎖性能要可靠，且要保證定位基準、工藝基準和設計基準重合。為了使定位基準和設計基準重合，消除定位誤差的影響，使用螺旋定心夾緊機構?！皟擅嬉豢住倍ㄎ谎b夾，即以下底面及工件上中間孔徑為定位基準，使用定心夾緊機構，其特點是定位和夾緊是同時實現的，定位元件也是夾緊元件，即以下平面為定位基準，如圖3所示。

圖3 定位夾緊裝置圖

3.2.2 機床夾具的精度分析

本夾具中工件以“兩面一孔”定位，圓柱銷的軸與中間定位孔是緊密的間隙配合；如果定位孔中心距存在公差誤差，則夾具上的圓柱銷就不能與工件的定位孔準確配合了，是裝不進去的，因此對定位孔以及定位銷的形位公差，尺寸公差等，都要有嚴格的精度要求。定位孔與圓柱銷孔連心線必須是垂直的，否則就失去定位的意義了。

加工時必須保證底面和孔符合尺寸及位置精度要求，由于使用了定位中心銷，當零件靠近定位中心銷時，可以自動定出對稱斜面的中心，理論上定位誤差ΔY 等于零，但在實際生產中，總會有誤差，如夾緊元件的移動誤差、夾具的制作誤差等，因此，在制作夾具過程中必須保證螺旋傳動、夾具的磨損等產生的誤差之和在零件誤差允許的范圍內。

3.2.3 對夾緊裝置的基本要求

機械加工過程中，要保證工件不離開定位時占據的正確位置，就必須有足夠的夾緊力來平衡切削力、慣性力、離心力及重力對工件的影響。而且夾緊機構在傳遞力的過程中，能根據需要改變力的大小、方向和作用點。夾緊力的穩定可減少夾緊誤差。針對本文中該零件的加工，由于工件本身加工部分的位置特殊性，不易定位、裝夾，所以在設計夾具中，對夾緊裝置應力求使用性及工藝性要好，且便于制造和更換，操作起來要方便、省力、安全。

在本夾具中，夾緊裝置采用定心夾緊機構，它是定位和夾緊同時實現的夾緊機構，同時可減少△dw。具有“定位—夾緊”元件的等速移動或均勻彈性變形來實現定心或對中，能用在要求定心和對中的場合。

3.2.4 各類力的分析

（1）離心力分析

因為工件的質量很輕，旋轉半徑和旋轉速度也不大，基本上離心力可以忽略。

（2）夾緊力分析

夾緊力大小要適當，要克服切削產生的切削力和工件轉動產生的離心力，夾緊力過大會使工件變形，過小則在加工時工件會松動，造成報廢甚至發生事故。

用手動夾緊時，可憑人力來控制夾緊力的大小，一般不需要算出所需夾緊力的確切數值，只是必要時進行概略的估算。進行夾緊力計算時，通常將夾具和工件看作一剛性系統，以簡化計算。根據工件在切削力、夾緊力作用下處于靜力平衡，列出靜力平衡方程式，即可算出理論夾緊力，再乘以安全系數，作為所需的實際夾緊力。實際夾緊力一般比理論計算值大2～3倍。夾緊力三要素的確定，是一個綜合性問題。必須全面考慮工件的結構特點、工藝方法、定位元件的結構和布置等多種因素，才能最后確定較為理想的夾緊機構。

由于夾具體的重心不在主軸旋轉軸線上，因此，必須在夾具體的相對位置設置平衡塊。平衡塊的輕重是通過使花盤跟主軸轉動，若能任意停留在任一位置就可以判斷該平衡塊的重量適合。并且平衡塊的重量及位置應可調節。

根據以上分析，夾具總圖如圖4所示。

圖4 夾具總圖

3.2.5 特性

本夾具主要以車削為主，經過試車的實踐證明，該旋轉式加工孔夾具保證了工件圖樣精度，效果顯著、穩定，操作方便，所以此套“圓形六孔墊片的夾具設計”是可行的。

4 夾具裝配圖及技術分析

（1）夾具裝配圖

夾具裝配圖如圖5和圖6所示。

圖5 夾具裝配圖1

圖6 夾具裝配圖2

（2）技術分析

如圖7 所示，該帶分度花盤夾具主要靠花盤上的分度盤、轉動盤，夾緊定位銷及彈簧對定銷來控制，以實現角度的變換。也就是來源于1、5、3、9的配合控制。

圖7 夾具圖

圖7 中分度盤用三顆螺栓固定于花盤上，花盤上放置一轉動盤，工件即放于轉動盤上，并用中間的定位銷及轉動盤上的彈簧對定銷作為定位及夾緊裝置，并且轉動盤跟工件可繞中間的定位銷做旋轉運動。當按照如圖所示位置加工完第一個孔后，將轉動盤側面的彈簧對定銷擰出，同時松工毛坯件上的定位銷，此時轉動盤可以帶動工件在分度盤上旋轉，即轉過90°時，此時工件也同樣轉過90°，此位置就是下一孔的加工位置。此時彈簧對定銷在彈力的作用下，對定銷上的螺母插入分度盤中的分度孔，擰緊彈簧銷，進行第二個孔的加工，當第二個孔加工完畢，以此操作步驟使工件分別旋轉90°、40°、50°，加工第三、第四、第五個孔。所完成的零件便是六孔墊片零件。

分度盤3 的作用是分度盤上面有與工件分布一致的孔，作為工件加工過程中，孔位置的定位，縮短孔位置找正的時間，提高效率。

轉動盤6 的主要作用是用于零件加工第一個孔后，帶動工件作旋轉，但此轉動盤與分度盤及工件在同一中心線上，保證了零件的同軸度。

夾緊定位銷7 的主要作用是用于保證零件的同軸度，以及保證當零件靠近斜面時不產生任何的基準位移誤差，并用以角度定位的控制，定位中心銷的加工精度必須很高，必須符合技術公差要求。

彈簧對定銷9 的作用就是利用彈簧力來使在旋轉確定角度過程中，能插入分度盤中的分度孔，確保分度的準確性。

平衡塊8 的主要作用是，保證夾具體在機床中的平衡狀態，保證夾具的精度。

為了保證夾具的準確性，精度性，必須制訂夾具公差時，保證夾具的定位、制造和調整誤差的總和不超過零件公差的1/3。

（3）效果

從該夾具的總體結構上來看，采用了旋轉的轉動盤后，實現了一旋轉加工的快速效率，減少了零件的重復裝夾以及對準工件中心等輔助時間。如圖1 的零件所示，未用該夾具加工前，每件零件大約加工15 min 完成。使用該夾具后，每件零件加工時間是8 min，節約了7 min。按每天8小時工作時間計算，原工序每天約32 件，使用后，每班生產了約60件，比未使用前多生產了約28件，而且使用該夾具加工出來的零件尺寸符合圖紙要求，質量穩定，減少了操作者的勞動強度，提高了生產效率。

5 操作步驟

（1）把卡盤裝夾部位與數控車床三爪自動定心卡盤法蘭配合，使夾具體能轉不脫開，夾具體處于完全未裝零件狀態下，而且轉動盤放置于分度盤上，如圖8所示。

（2）依次把壓板機構，以及彈簧對定銷松開，將工件放置于轉動盤的避空部位接觸，工件的中心軸線與轉動盤同軸，即要加工的孔的中心軸線與花盤同軸，擰緊壓板上的螺栓，同時擰緊彈簧對定銷。開車車削第一個孔至圖樣尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如圖9所示。

（3）當車好第一個孔后，松開壓板，再擰開彈簧對定銷，這樣一來，零件處于松弛狀態下，此時彈簧對定銷上的螺母也脫離了分度孔，利用轉動盤繞中間定位銷做逆時針轉動90°，此時工件跟隨著轉過90°，彈簧對定銷在彈簧力的作用下，螺母插入分度盤中相應位置的分度孔。擰緊壓板上的螺栓，即可車削第二個孔至圖樣尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如圖10所示。

（4）當第二個孔加工完畢后，松開壓板上的螺栓，再擰開彈簧對定銷，這樣一來，零件處于松弛狀態下，并脫離了分度孔，利用轉動盤繞中間定位銷再做逆時針分別轉動90°、40°及50°，此時工件也隨著轉過90°、40°及50°，夾緊彈簧銷在彈簧力的作用下，螺帽插入分度盤中相應位置的分度孔。擰緊壓板上的螺栓，即可車削第三、四、五個孔至圖樣尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如圖11所示。

圖8 步驟一

圖9 步驟二

圖10 步驟三

圖11 步驟四

（5）完工后松開松開壓板上的螺栓及對定銷，拆卸工件，重新裝上第二個工件，循環加工。經工件多次檢測，工件上孔的距離精度誤差均在公差范圍內，達到圖樣要求的精度，如圖12所示。

圖12 步驟五

6 夾具技術特點[1]

該夾具的主要特點是以工件的底面及中間一孔定位，并用中間定位銷定位夾緊，用轉動盤及彈簧對定銷定位控制角度自動旋轉，工件一次性裝夾后，即可完成車削相應孔的加工。轉動盤的位置固定并與工件同軸，不存在因工件多次安裝造成的基準位移誤差、轉角誤差及累計誤差的影響，為高精度車削不均布孔徑提供了可靠的保證（夾具能保證工件的加工精度，一次裝夾就能完成工件的加工要求）。

旋轉式車削孔徑夾具省時、省工，精度可靠，亦操作方便。如果材料、制作工藝到位，特別適合大批量生產，能提高加工的效率和降低加工成本。

加工花盤，中心距取工件中心距的1/2 精度，控制花盤與過渡盤法蘭止口定位的配合間隙取最佳公差，過渡盤與車床主軸按車床主軸錐度及尺寸連接。以減少安裝累計誤差，嚴格控制同軸度誤差這是保證夾具精度的要素之一。

7 使用夾具時的注意事項[2]

在車削過程，由于工件和夾具隨主軸旋轉，以及刀具對工件的切削力影響，因此，在操作的過程中需要注意以下幾個方面的問題：

（1）在安裝零件之前，必須保證主夾具體的清潔，干凈，無鐵屑，無鐵渣，以及各夾具部分的靈活部件完好無損，確保夾具體的制造使用精度無磨損、刮傷；

（2）安裝零件時，必須保證零件在夾具中的夾緊穩固，確保所有夾緊螺絲達到零件鎖緊程度下方可開車加工，千萬不要出現鎖緊不徹底，便馬上加工的現象，這樣出現的不僅是車刀，零件以及夾具損壞的加工事故，更嚴重的是傷及到人身安全的人身事故；

（3）在采用G00 快速定位指令及內孔加工循環指令時，不提倡采用斜線運動進行進刀或者退刀，避免刀具直接撞擊到零件以及夾具體上，所以，采用了直排刀架的進退刀運動方式，即先進入或者退出X 或Z 方向到毛坯以外的安全位置，再進入或者退出X或Z方向。

8 結論

經過實踐證明，以上所設計的夾具解決了在以上所列的加工問題，比其它夾具具有明顯的合理性，而且它能適應更大的加工范圍，對于其它的不規則位置的孔等都能達到加工目的，并能保證工件的技術指標，提高了加工效率及質量。

［1］肖繼德，陳寧平.機床夾具設計：第2 版［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］劉守勇.機械制造工藝與機床夾具［M］.北京：機械工業出版社，2001.