用浮動球面夾緊方式加工薄壁件

安徽神劍科技股份有限公司（合肥 230022）賴正望

薄壁零件在機械加工中一直是個難題，不管機床、刀具的精度多高，若工藝及裝夾不佳都會造成產品變形超差。產品的變形主要由以下兩個方面原因造成：①產品的壁薄，剛性較差，裝夾時易受夾緊力影響產生變形，產品加工后釋放夾緊力，引起產品回彈變形超差。②材料存在內應力，去除材料后內應力釋放引起產品的變形。

1.典型件問題描述

我廠生產的薄壁件形狀如圖1所示，材料為2A12，內孔及外圓尺寸要求較高。

圖1

產品材料本身存在內應力，通過先粗加工、半精加工后再精加工的方式可逐步去除材料本身的內應力影響，使得產品變形可控。產品在毛坯狀態由于壁厚，可以采用通用的裝夾方式（如用三爪夾外圓或脹內孔裝夾方式裝夾）進行粗加工、半精加工，但是產品在精加工時由于產品壁較薄，若裝夾不當容易受裝夾力影響引起產品變形，如采用三爪夾外圓或脹內孔裝夾方式裝夾都會引起產品變形超差。對于此類薄壁件的裝夾，通常采用的方式是壓端面裝夾。然而實際生產過程中，由于種種原因（產品在加工兩端面時由于調頭裝夾、定位誤差、切削過程中的工件、刀具讓刀等情況影響使得產品的兩個端面加工后不平行）加工后產品的兩端面不平行，造成產品裝夾面局部受力，使得產品局部變形較大，產品完成切削加工后在夾緊力未撤消時尺寸符合要求，夾緊力撤消后造成產品的局部回彈變形過大而超差。

2.解決方案

采用浮動球面夾緊方式裝夾產品可使產品的兩端面均勻受力，消除產品切削加工后局部變形問題，并可有效、適度控制產品的夾緊力大小。浮動球面夾緊裝置如圖2所示，該裝置由本體、定位環、壓環、開口墊、螺釘組成，本體的外圓柱可定心，臺階面為產品的定位面。由于產品和本體間有較小的配合間隙，使得本體臺階定位面可以和產品的一個面進行有效貼合，均勻受力；產品的另一個面采用球頭曲面夾緊工件，球面可以轉動，能自動找正產品的受力方向，使得產品的受力始終垂直產品的端面，受力均勻，不會造成產品的局部受力過大變形現象。根據刀具的最大切削力，推算出裝夾產品的端面所需的最大靜摩擦力，進而推算出螺紋的最小預緊力，可適度控制產品夾緊力，螺紋擰緊力矩采用力矩扳手法進行精確限定，避免產品受力過大變形。此浮動球面夾緊方式用于產品精車外形，產品的尺寸能夠得到有效控制。當然，采用同樣的裝夾原理設計夾具也可以進行產品的精鏜內孔加工。

圖2

3.確定力矩扳手的最大值

刀具的最大切削深度為ap=1mm，最大進給量f=0.2mm/r，主軸轉速為1000r/min，刀具為硬質合金外圓車刀（γo=20°，刀尖半徑為R=0.4mm，60°菱形刀片），根據公式可計算最大切削力為142.7N，工件端面的正壓力為839.34N。

為了增強螺紋鎖緊防松能力以及防止受切削力載荷螺母的滑動，螺紋聯接要預緊。對于螺紋聯接，其擰緊力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯接件(或墊圈)支承面間的端面摩擦力矩T2。施加擰緊力矩時，可用力矩扳手法控制預緊力，計算擰緊力矩的計算公式為

式中，d為螺紋公稱直徑（mm）；F′為預緊力，（N）；d2為螺紋中徑（mm）；φ為螺紋升角；ρv為螺紋當量摩擦角；μ為螺母與被聯接件支承面間的摩擦因數；K為擰緊力矩系數；Dw為扭矩搬手螺帽內切圓直徑；d0是螺釘大徑。

K可查表得：K=0.12，F′=N=839.34N，螺紋公稱直徑為30mm。

T=KF′d=0.12×839.34×30=3021.624N·mm=3.0N·m

4.結語

實際生產時，選定切削刀具型號、固化產品加工參數后，通過計數得出最小力矩值，可通過力矩扳手法控制擰緊力矩的數值，使產品在最小的變形狀態下，實現穩定加工，可有效控制產品的尺寸精度。