一種車床快速定位實用夾具的設(shè)計與制造

劉小娟， 黃信兵， 陳賢照

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控技術(shù)教研室，廣東中山528404；2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電一體化教研室，廣州510650）

一種車床快速定位實用夾具的設(shè)計與制造

劉小娟1， 黃信兵2， 陳賢照1

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控技術(shù)教研室，廣東中山528404；2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電一體化教研室，廣州510650）

分析了現(xiàn)有的傳統(tǒng)夾具在裝夾具有較高形位公差要求的軸類零件進行加工時存在的弊端和不足，并提出了相應(yīng)的解決方案。開發(fā)了一種“兩頂一面”快速定位夾具，并介紹了其結(jié)構(gòu)組成、工作原理、特點及加工制造方法。

夾具；彈簧；設(shè)計；結(jié)構(gòu)；加工

0 引言

由于數(shù)控車床具有效率高、柔性好、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠等特點，使其得到了日益廣泛的應(yīng)用。機械加工中很多軸類零件主要采用數(shù)控車床加工，根據(jù)數(shù)控車床的裝夾特點，當(dāng)批量加工時，一般是以工件的左端面用限位塊來作軸向定位基準(zhǔn)。而加工有一定形位公差要求的工件時，為了保正工件的形位公差，加工時一般都利用軸的兩端中心孔作為定位基準(zhǔn)，再配上雞心夾具及撥爪來傳遞旋轉(zhuǎn)的動力。但由于加工的中心孔會出現(xiàn)大小（深淺）不一致的情況，加工時，工件的軸向尺寸較難保證。每次裝夾后工件軸向定位基準(zhǔn)都會發(fā)生變化，每個工件都必須重設(shè)Z軸坐標(biāo)，從而降低了生產(chǎn)效率，增加了操作者勞動強度，并且由于對刀誤差及機床精度等因素，很容易造成零件報廢，體現(xiàn)不出數(shù)控車床的優(yōu)越性。為了解決這些問題，筆者通過生產(chǎn)實踐，研究及查閱相關(guān)技術(shù)資料，設(shè)計制造了一種“兩頂一面”快速定位夾具，主要依靠彈性頂尖對加工工件起到定心作用，依靠工件端面和夾具定位塊接觸來實現(xiàn)工件軸向定位。

1 夾具的結(jié)構(gòu)分析

快速定位夾具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速定位夾具的結(jié)構(gòu)

1.1 夾具的組成

該夾具主要由夾具主體、螺母、碟形彈簧、定位墊圈、定位塊、尾座活動頂針、前頂尖組成。其主要零件材料均為40Gr鋼，并進行調(diào)質(zhì)處理，因而具有較好的剛性、抗拉強度、抗疲勞強度及較好的穩(wěn)定性。

1.2 夾具的工作原理

利用碟形彈簧的彈性可使前頂尖軸向伸縮，可以通過增加或減少彈簧片數(shù)量來改變頂針的伸出量，可以用于不同的中心孔零件加工；前頂尖與工件中心孔始終配合，保證以軸線為定位基準(zhǔn)，能較好地保證軸類零件外圓表面的位置精度，解決了由于工件中心孔大小不等引起的軸向定位誤差問題；利用45°錐面定位塊和工件左端面擠壓產(chǎn)生的摩擦力帶動工件旋轉(zhuǎn)，同時起到軸向定位的作用。

1.3 夾具的使用方法

在圖1中，將夾具主體1錐孔部分與車床主軸頸配合，彈性前頂尖8起到定心作用。工件未裝夾時，前頂尖由于碟形彈簧3的作用而伸出定位塊5的外面。裝夾工件時，將工件6中心孔對準(zhǔn)彈性前頂尖8，工件6另一端用尾座活動頂針7頂住，將彈性前頂尖8壓縮至工件6的左端面與夾具定位塊5接觸，依靠定位塊5和工件6的擠壓摩擦力作用帶動工件一起旋轉(zhuǎn)。拆卸工件時，將尾座活動頂針7退出，在碟形彈簧3彈簧力的作用下，彈性前頂尖8將工件6頂出而自行卸下。

2 夾具主要零件的設(shè)計加工要點

2.1 夾具主體的設(shè)計及加工

夾具主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。選用40Cr制造，夾具主體粗加工完成后需要調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)至220～280HRB。

2.1.1 圓錐小徑的計算

已知：大徑D=82mm，圓錐長度L=18mm，圓錐半角a/2=7°，求小徑。

根據(jù)公式：d=D-2Ltan（a/2）=82-2×18×0.12278=77.58mm。

2.1.2 夾具主體的加工過程

1）粗車：夾右端，車左端φ130 mm外圓，鉆φ26孔深95 mm，車錐度孔留余量3～4 mm。調(diào)頭粗車φ85 mm和φ65 mm外圓至尺寸。粗車φ26 mm外圓留余量3～4 mm，端面留1 mm，最后鉆孔至φ12 mm；

圖2 夾具主體結(jié)構(gòu)

2）調(diào)質(zhì)225～260HB；

3）選用YT30車刀，刀具裝夾必須嚴(yán)格對準(zhǔn)工件軸線，否則會出現(xiàn)雙曲線誤差而影響精度。車左端時為了使端面與圓錐保證跳動0.01 mm，所以要一次性車削；

4）車螺紋：螺紋為公制M30細(xì)牙，螺距為2 mm，牙型角為60°。根據(jù)公式計算螺紋小徑：d1=D1=d-1.082 5×2= 27.835+0.230。剛好與φ28孔相同。孔徑車至φ28深97孔底與孔徑成90°。最后車螺紋有效長度25 mm，牙型高度h= 0.541 3P=1.082 5；

5）鉆孔：在鉆床上鉆3個均布配合孔φ12 mm，留0.1余量后用鉸刀鉸出，保證中心線精度φ107+0.05-0.05；

6）調(diào)頭：把工裝套在機床主軸軸頸的圓錐上用螺絲鎖緊，車削與頂針孔配套的φ14+0.0250孔，車削與裝夾定位塊配孔的φ26的外圓與端面并一次完成，以保證同軸度在0.001 mm，垂直度在0.015 mm；

7）分別鉆5個M8粗牙螺絲孔并攻螺紋；

8）去毛刺。

2.2 彈簧的選擇

在選擇彈簧的直徑、長度與材料之前，必須先要計算出車削軸的切削力大小。

2.2.1 計算切削力

以半精加工圖3的齒軸為例來計算主切削力。工件材料為40Gr，調(diào)質(zhì)處理硬度為212HBS。刀具材料為YT15。刀具幾何參數(shù)：前角γ0=15°，主偏角Kr=90°，刃傾角λ=+5°，倒棱vf=-10°，刀尖角r=0.25。切削深度t= 3 mm，進給量S=0.4 mm/r，切削速度v= 100 m/min。

圖3 齒軸零件圖

1）計算主切削力。

考慮刀具磨損,取h后=0.8 mm。

由切削手冊查得：Kh后pz=1.12，Kh后py=1.25，Kh后px=1.08。代入公式：Pz=P×t×S×Kspz×Krpz×Kfpz×Kvpz×Kλpz×Kh后pz=200×3× 0.4×0.96×1×1.08×1.05×1×1.12=292.6 kgf。

2）計算徑向力Py。

3）計算軸向力Px。

2.2.2 彈簧的確定

由于頂尖軸外徑小，工裝內(nèi)孔小，在計算切削力和彈簧圈數(shù)過程中，如果使用圓柱形彈簧，則它的工作長度超過了所給定的長度，因此選用了具有外徑小、壓縮量小特點的碟形彈簧。并且可以通過增減彈簧片數(shù)來裝夾具有不同類型的中心孔的工件，孔比較大時，頂針的伸出量應(yīng)該長點，這樣可以多加兩對彈簧。

在計算彈簧的工作行程時，應(yīng)使它所能承受的載荷是零件切削力的幾倍，這樣比較安全。

頂針軸除去尾部螺紋孔頂持部分可穿彈簧長45.5mm，由計算3.5×13≈45，可知此軸可以穿13對高為1.75 mm的碟形彈簧。

通過查蝶形彈簧相關(guān)參數(shù)表可知：當(dāng)壓力為492 kgf時，彈簧的行程為s=0.188 mm，總彈簧壓縮量為：0.188× 13=4.9mm。因此在安裝夾具中，用螺母調(diào)整頂針的伸縮長度時，要保證定位塊與零件端面之間的距離≥4.9mm。

根據(jù)上面切削零件相關(guān)切削力及蝶形彈簧相關(guān)性能參數(shù)的計算，此工裝選用13對碟形彈簧片可滿足加工要求，彈簧片的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 彈簧結(jié)構(gòu)圖

2.3 定位墊圈設(shè)計及加工

2.3.1 定位墊圈的設(shè)計

定位圈的設(shè)計機構(gòu)如圖5所示，材料為40Gr，調(diào)質(zhì)225～260HB。

圖5 定位圈結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 定位墊圈的加工

1）夾右外圓長33～40 mm，削φ90外圓，車左端面與內(nèi)孔 φ26+0.0210一次車出，以確保垂直度在0.001 mm以內(nèi)，此精度大小關(guān)系到定位刀片定位的精度。銳角倒鈍。

2）調(diào)頭，車端面至尺寸20 mm。

3）在刨床上校正外圓，以保證形位公差（剛好車間有一夾具是用來刨5等份的，公差能保證在0.02 mm以內(nèi)），刨削10×21方槽。

4）鉆：用百分表校正外圓與端面，與保證端面均布5孔中心距φ63±0.05和角度72°在公差范圍。鉆外圓5個分布M8螺絲孔，用于鎖緊定位塊。

2.4 定位塊設(shè)計及加工

2.4.1 定位塊設(shè)計

定位塊的設(shè)計機構(gòu)如圖6所示，材料為40Gr，調(diào)質(zhì)225～260HB。

圖6 定位塊的結(jié)構(gòu)

2.4.2 定位塊加工

1）定位塊用刨床先粗刨，各留余量0.6～1 mm。把已刨削的一面做基準(zhǔn)面，刨削與它垂直的另一平面，留余量0.6～1mm。移動刨刀轉(zhuǎn)角度，刨出45°斜面高度留0.5 mm；

2）因定位塊與工件接觸，為增加它的沖擊韌性、強度，所以錐面部分表面淬火，硬度為45～50HRC；

3）再用磨床磨至尺寸，并且要保證它們的垂直度在0.015 mm以內(nèi)、平行度在0.01 mm以內(nèi)，以保證形位精度。螺絲購買標(biāo)準(zhǔn)件。

3 結(jié)語

該夾具結(jié)構(gòu)簡單、安全、成本低，實際應(yīng)用結(jié)果表明，該夾具與傳統(tǒng)的兩頂針夾具相比，在保證加工精度的前提下，可以有效降低勞動強度，提高加工效率，節(jié)省企業(yè)開支，增加經(jīng)濟收益，具有較大的實際應(yīng)用價值。

［1］ 陳燕.基于不規(guī)則零件的加工工藝分析及夾具設(shè)計［J］.機床與液壓，2011（14）：44-45.

［2］ 司廣琚，鐘康民.增力自鎖型沖擊式氣動夾具設(shè)計與力學(xué)計算［J］.機械設(shè)計與研究，2003（1）：96-99.

［3］ 朱耀祥，融亦鳴.柔性夾具與計算機輔助夾具設(shè)計技術(shù)的進展［J］.制造技術(shù)與機床，2000（8）：5-8.

［4］ 吳衛(wèi)東.基于事例推理技術(shù)在夾具CAD中應(yīng)用的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2001（8）：6-11.

［5］ 史琦.基于實例推理的夾具設(shè)計知識表示方法研究［J］.機械設(shè)計，2001（1）：3-5.

（編輯：昊 天）

Design and Manufacture of a Rapid and Practical Lathe Clamp

LIU Xiaojuan1,HUANG Xinbing2,CHEN Xianzhao1
（1.CNC Technology Teaching and Research Section,Zhongshan Plytechnic,Zhongshan 528404,China; 2.Electromechanical Integration Specialty，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650,China）

The drawbacks or shortcomings in existing traditional fixture for processing high shape tolerance requirements of parts are analyzed.The corresponding solutions are proposed，and a rapid and practical lathe clamp is develop ed．Its structure，working principle,characteristics and manufacture,are descibed.

clamp;spring;design;structure;machining

TG 751.1

A

1002－2333（2014）04－0062－03

劉小娟（1980—），女，講師，碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術(shù)、機電設(shè)備維修等。

2014-01-02