箱體類零件車孔專用夾具設計

德州聯合石油機械有限公司（山東 253034）駱亞敏 侯祖剛

箱體類零件是大型機械的基礎部件，主要由平面和各種用途的內孔組成。數控車床加工面廣，適應性強，在內孔加工中有著不可替代的優勢。本文以箱體類零件泵頭和CKA6185數控車床為例，介紹車孔專用夾具的設計與制作，實踐中積累了一些經驗，供大家參考。

如圖1所示，零件外形為規則的六面長方體，截面尺寸400mm×400mm×1000mm。平面沒有特殊的技術要求，關鍵是內孔的加工。孔內有錐面、圓弧、螺紋等特殊表面，相互之間有著嚴格的位置要求。數控車床可以在一次裝夾中完成內孔工序的全部內容，最大限度地保證尺寸精度和位置公差。雖然車床自帶的單動卡盤可以裝夾形狀不規則的大型工件，但無定位定心裝置，工件安裝時需逐個找正，費時費力。工件重約0.8t，車削內孔時如果僅靠四個卡爪夾持，高速旋轉將非常危險，車削1∶6錐孔和T240×12非標螺紋時也容易產生振動。為提高加工穩定性和安全系數，必須使用中心架輔助支撐。根據工件的形狀特征，制作一套專用的車床夾具。一是增加定位基準，省去安裝找正的時間；二是增加一段臺階外圓，作為中心架的支撐點。

圖1 泵體零件圖

1.夾具結構和工作原理

夾具由定位盤（見圖2）、壓緊盤（見圖3）、拉緊螺栓三部分組成。定位盤通過聯接法蘭安裝在車床主軸上，是夾具的主體部件，起著定位和承載工件重量的作用。壓緊盤是夾具的夾緊部件，用于固定工件并提供支撐點，兩部件的圓周半徑方向均有4條22mm寬的U形槽。用于拉緊螺栓的聯接，4條螺栓預緊后，能產生很大的拉緊力，并可以實現自鎖，快速固定工件在夾具中的位置。當工件底面與定位盤端面的摩擦力足夠大時，夾具就能夠帶動工件同步轉動，承受車削時的工作載荷與切削力。

圖2 定位盤

圖3 壓緊盤

定位基準是夾具設計中首先要解決的問題，從零件圖可以看出，工件定位基準是左側底面和φ160mm內孔，夾具定位基準是定位盤端面和φ160mm臺階外圓，兩者貼緊配合后，采用螺栓拉緊裝置軸向固定，起到很好的定位作用。如何解決中心架支撐外圓，成為設計的難點和巧妙之處。當時有兩種方案：①加長工件毛坯120mm，在六面體上車圓一段臺階作為架子位外圓。②臨時焊接一段圓環體作為架子位外圓。第一種方案材料浪費太大，不值得考慮。臨時焊接會破壞材料內部組織，也不適合批量生產。工藝人員經過全面考慮，在不改變工件毛坯尺寸的前提下，優化壓緊盤的形狀，增加一個定位臺階孔和一個臺階外圓，使其在壓緊工件的同時，也將自身固定在工件端面上，形成一段中心架支撐外圓，一舉兩得。

2.夾具功能和設計要求

（1）定位：通過定位盤的大端面和臺階外圓來實現定位。迅速確定工件在夾具中的位置，縮短輔助時間。

（2）夾緊：夾緊裝置為壓緊盤和4條M20拉緊螺栓。通過螺母的預緊力固定工件，結構簡單，裝卸方便。

（3）對刀：建立刀具切削刃相對于工件或夾具的正確位置，在數控車床上特別重要，壓緊盤的內孔可用于試切和對刀，計算軸向尺寸的起始位置時要減去5mm端面余量。

（4）支撐：壓緊盤在夾具中有著雙重作用，壓緊工件的同時，增加一段外圓用于中心架支撐，為高速車削內孔提供了安全保證。

夾具適用于箱體類零件精車內孔工序，具有很強的隨機性和專用性，特點是制造周期短，安全可靠，不需要操作者具備熟練的安裝和找正技巧。為此，夾具在設計過程中要全面考慮來自各方面的因素。定位盤和壓緊盤同時承受工件重力和螺栓拉緊力，除安裝牢固外，還要有一定的剛性要求，保證夾具在使用過程中不因受力變形而影響加工精度。為此，兩部件均選用45鋼鍛造成形，粗加工后低溫時效，消除殘余內應力。拉緊螺栓、螺母作為夾具的薄弱環節，為確保不發生斷裂和疲勞破壞，應選用高性能的35CrMo圓鋼加工制作，調質處理后獲得很高的綜合機械性能。螺紋磨損后，要及時更換螺栓、螺母，避免出現脫扣、滑扣現象。

根據產品類型，本例中的夾具也可以制作成可調模式，應用于形狀相似的箱體類零件，當工件的內孔尺寸改變時，可使用不同尺寸的定位盤。當工件的長度尺寸改變時，則更換不同長度的拉緊螺栓。當工件的截面尺寸改變時。調整拉緊螺栓在U形槽中的半徑位置，即可達到可調的目的。

3.夾具誤差和強度計算

夾具定位盤在實際加工中存在一定的制造誤差。工件定位孔的加工尺寸也允許有一定的偏差，兩者具有同一基本尺寸，屬于間隙配合。工件在重力作用下，必然產生徑向偏心位移，由此推斷出夾具定位誤差=工件定位孔（max）－定位盤臺階外圓（min）=φ0.07mm，從理論上能夠滿足車削內孔時的同軸度要求。為避免夾具安裝誤差，可以采用隨機補償的方法。定位盤的端面和臺階外圓均留有一定的加工余量，與車床主軸聯接固定后，再去平大端面，精車臺階外圓至設計尺寸，這樣就可以保證夾具定位基準面與機床主軸的位置精度要求。

夾具采用螺栓拉緊裝置，具有結構簡單、增力大、自鎖性能好等特點。為保證安全，通常要對拉緊部件的強度和剛性進行必要的計算，以免使用過程中造成事故；同時，拉緊力也容易造成工件和夾具變形，工件是剛性體，彈性變形主要集中在壓緊盤和定位盤上。危險環節是拉緊螺栓在泵頭截面的剪切力作用下發生斷裂。根據經驗公式，軸向預緊力要超過工件旋轉時附加力偶的8倍，才能帶動工件順利車削，為防止斷裂，應選用高強度螺栓、螺母，并使螺母的位置便于扳手裝卸。主要措施有：①使用4條材料相同，均勻分布的M20螺栓，來增大總夾緊力，減小單個螺栓的工作載荷。②增加壓緊盤和定位盤的厚度，并使用法蘭面六角螺母，增加螺母與壓緊面之間的接觸面積。③工件在夾緊時，8個壓緊螺母要輪流上緊，力度相當，避免螺栓預緊力的均衡誤差對加工精度的影響。

4.上工序加工方案

工序定位基準是保證夾具使用精度的前提條件，泵頭的底面、φ160mm內孔、φ320 mm端面凸臺（見圖4），三者之間有著嚴格的位置關聯，一點也馬虎不得，為此，我們編制了周密的半精加工方案。

圖4 上工序加工示意圖

（1）以內孔為基準，精加工泵頭六面體至成品尺寸，螺紋孔一端保留工件總長余量6mm。待內孔精車完畢后，轉至鏜床工序去面至成品長度（平面銑或鏜床）。

（2）以400mm×400mm截面中心為基準，半精鏜臺階孔和螺紋底孔至工序尺寸，孔深增加5mm端面余量（鏜床）。

（3）按面找正，精加工泵頭底面和φ160mm內孔至尺寸，用于工件定位基準；調頭按孔找正，精加工φ320mm端面凸臺至尺寸，用于壓緊盤安裝基準（立式車床）。

第三步是重點工序，加工難點是必須保證φ160mm內孔與φ320mm端面凸臺的同軸度要求。手工劃線找正的方法肯定不行。最終決定由立車加工，并制作了專用的工裝夾具。立式車床主軸軸線為垂直布局，卡盤水平設置，因此工件的安裝與找正都比較安全和方便。具有夾緊力大，工藝剛性好等優點，非常適合形狀不規則的箱體類零件。夾具充分利用工件基準面和自身重量，即使調頭加工也可以保證很好的相互位置精度。公司現有的C5112型單柱立式車床，最大加工高度1.4m，可以滿足工件端面和內孔的精車需要，工序步驟如下：①按平面兼顧內孔找正，去平泵頭底面即可，精車φ160mm底孔至尺寸，倒1mm×45°內孔角，依次加工完數件。②上工裝，四爪裝夾牢固，精車定位盤大端面和臺階外圓至設計尺寸，垂直吊裝工件，擦凈底面和φ160mm內孔，與定位盤臺階對齊配合，安裝壓板和M36螺栓，軸向用力壓緊（見圖5），精車端面處φ320mm凸臺至工藝尺寸。

圖5 立車夾具安裝使用圖

實踐證明，上述的立車加工方案經濟實用，工裝制作簡單，定位準確，在生產中取得了很好的效果。位置公差得到保證，尺寸測量也很方便，完全可以滿足工藝要求。考慮到工序基準的重要性，加工過程中有兩點值得注意：第一，定位盤臺階預留一定的精加工余量，待四爪裝夾找正后，隨機去平大端面，精車φ160mm外圓至尺寸。這一步非常重要，是保證工件調頭加工時，端面凸臺與底面、內孔之間位置精度的關鍵。第二，相對于數控和臥式車床，立車控制工件尺寸的難度較大，盡量安排有經驗的技術工人來做。

雖然立車在箱體類零件裝夾中具有很多優勢，但不能加工螺紋，精車錐孔和圓弧也很困難，受行程高度限制，鏜孔時不可使用較長的刀桿，這些都是立車的不足之處。工序基準加工到位后，精車內孔仍需安排到大型數控車床完成。

5.夾具安裝使用

圖6中，卸掉數控車床單動卡盤，將夾具定位盤安裝固定在車床主軸上，去平大端面，精車φ160mm臺階外圓至設計尺寸。這時定位盤與主軸的同軸度、垂直度誤差可以忽略不計。用強力磁鐵吸住泵頭頂面，水平吊起工件，使其底面基準與定位盤臺階對齊配合（此時可移動尾座，頂住工件內孔，輔助安裝）。將壓緊盤安裝在工件端面凸臺上，對齊缺口。4條M20拉緊螺栓，分別卡入定位盤和壓緊盤的U形槽中。緊貼在工件平面上。輪番上緊螺母，預緊力大小合適后，可松開磁鐵，低速旋轉工件，調整中心架的支撐爪力度，摩擦面加注充分的潤滑油。精車內孔時要遵循由里到外的加工路線，先精車臺階孔和1∶6錐孔；再精車螺紋底孔和退刀槽；最后加工T240×12非標螺紋，4個工步在數控車床上一氣呵成。內孔各加工部位之間不存在同軸度誤差。車削完畢后，同樣用強力磁鐵吸住泵頭頂面，點動行車起降按鈕至受力狀態，依次松開螺母，取下4條拉緊螺栓，將壓緊盤臨時掛靠在尾座套筒上，水平移動行車，脫開泵頭與夾具的定位配合，即可卸下工件。

圖6 數車夾具安裝使用圖

6.可能遇到的問題和解決方法

（1）工件旋轉時的慣性力可能引起車床主軸周期性晃動，造成內孔圓度超差。解決方法是正確使用中心架，加強工藝剛性。同時選用較小的切削用量，主軸的啟動和停止也要平穩進行。

（2）車削內孔深處的1∶6錐孔時，刀桿懸深太長，容易出現讓刀現象，造成錐度誤差，有條件的廠家，最好使用剛性較好的防振鏜桿。

（3）車削大螺距梯形螺紋時，刀具與螺紋牙型接觸面積太大，容易引起振動，數控車床最好采用左右切削的編程方法，分層進刀至牙底深度。

7.結語

經過批量加工和質量檢驗，使用本夾具精車泵頭內孔，位置公差和尺寸精度完全符合圖樣要求，省去了繁瑣的安裝找正環節，縮短了輔助工時，同時提高了生產效率和加工質量，在類似的箱體零件內孔車削中，具有很好的借鑒意義和參考價值。