平面三滾柱自動定心夾具主要結構參數分析*

蘇沛群，鄧志輝，張西良

(1.常州信息職業技術學院 機電工程系，江蘇 常州 213164；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江212013)

平面三滾柱自動定心夾具主要結構參數分析*

蘇沛群1，鄧志輝1，張西良2

(1.常州信息職業技術學院 機電工程系，江蘇 常州 213164；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江212013)

文章主要對平面三滾柱自動定心夾具中工件內徑對夾具主要結構參數的影響進行了研究。針對工件加工時需自鎖且能在結束時方便松開的要求，分析了夾具各主要結構尺寸的公差與工件內孔尺寸精度之間的關系，提出了楔緊平面到中心的距離和滾柱直徑的公差的計算方法。得出了工件內孔尺寸必須滿足一定的精度要求；工件內孔所需的精度要求不僅與滾柱和楔緊平面到中心距離的制造精度有關，還與工件內徑的大小有關，且內徑尺寸越大，所需的精度等級越低的結論。

夾具；滾柱；楔角；精度；公差

0 引言

專用夾具是機械加工的一個重要組成部分，是針對某工件的某道工序而專門設計的夾具[1]。在盤套類零件批量加工的專用夾具中，為了提高定位精度，保證加工后的壁厚均勻，常采用自動定心夾緊機構，它能同時使工件得到定位、夾緊和定心[2]，既能夠實現基準重合，滿足內、外圓同軸度的要求，又能有效提高加工效率。

1 三滾柱自動定心夾具結構

圖1為平面三滾柱自動定心夾具的結構圖。工件內孔及后端面作為定位基準，在心軸上有三個均布的楔緊平面，滾柱保持架上開有三個長槽，槽內裝有三個等直徑的滾柱。在工件裝夾之前，將滾柱保持架順時針帶動滾柱轉動一小角度，使滾柱處于縮回位置，此時，三滾柱所包絡的直徑變小，工件安裝后，再將滾柱保持架逆時針旋轉，同時將三個滾柱擠出而使工件預定心和夾緊。加工外圓時，由于心軸逆時針旋轉，滾柱受摩擦力作用被楔緊在楔槽內，形成自鎖[3]，當工件外園受到切削力作用時，由于正壓力和滾柱產生的離心力使工件被滾柱可靠地自動定心并夾緊，切削力越大，夾緊力越大。加工完成后，將保持架順時針旋轉即可很方便地卸下工件。平面三滾柱定心夾具由于具有能自動定心、靠切削力自動夾緊、操作方便、裝夾效率高等優點，常用于內、外圓有同心度要求的盤套類零件的磨削或車削加工。

圖1 平面三滾柱定心夾具結構

2 三滾柱自動定心夾具主要參數的確定

2.1 楔角α的選擇

圖2為滾動體與工件、心軸體的關系圖，工件加工時，首先要保證工件在自動定心心軸上能可靠夾緊。假設滾柱、工件、夾具體均為鋼性件，工作時自鎖夾緊的條件為滾柱與工件的內表面在圖2的接觸點A處不打滑[4]，因此必須滿足：

μ×FN>Ft

(1)

μ—滾柱與工件之間的摩擦系數

Ft—滾柱在接觸點A處受到的切向力

FN—滾柱在接觸點A處受到的正壓力

以滾柱為分析對象，要使滾柱工作時不產生滾動，根據力矩傳遞平衡條件，接觸點B受到的旋轉合力矩應平衡[5]，分析圖2可得：

(2)

α—楔角

AB—A點至B點的線段長度

由(1)式和(2)式可知：

一般鋼鐵件接觸表面摩擦系數μ=0.1～0.15，所以自鎖條件為：α<11°～17°[6]，楔角α過大，工件夾緊不可靠；α角過小，工件松開困難，空行程較大，通常取α=6°～ 8°。

圖2 滾動體與工件、心軸體的關系圖

2.2 滾柱直徑d和楔緊平面到心軸中心距離C

的確定

根據夾具設計手冊，一般取滾柱直徑d=D/(4.5～6)，以下以d=0.2D為例進行分析計算。

由圖2根據機械設計手冊[7]可知：

(3)

d—滾柱直徑

D—工件內徑

C—楔緊平面到心軸中心的距離

3 主要結構參數的變化對工件內孔尺寸D

的影響程度

由公式3可知：

(4)

(5)

(6)

4 工件內孔D的精度要求分析

由公式(3)得：

(7)

工件內孔的精度必須保證工件裝夾后，楔角α在6°～8°的要求范圍內。分析式(7)可知：C越大，cosα越大；d越大，cosα越大；D越大，cosα越小。且cosα為減函數，由式(7)可得：

即：

(8)

即：

(9)

由式(9)減式(8)得：

TD+Td=1.005508(-2TC-Td)+0.00432(2Cmin+dmin)

TD≈0.00432(2C+d)-2.011Tc-2.006Td

(10)

TD—工件內徑D的公差

TC—楔緊平面到心軸中心距離C的公差

Td—滾柱外徑d的公差

由于α在6°～8°內變化，cosα變化較小，將α=7°和d=0.2D代入公式(3)可求得尺寸C≈0.297D。將C=0.297D、d=0.2D代入公式(10)可知：

TD≈0.00343D-2.011Tc-2.006Td

(11)

根據標準公差和基本偏差國家標準[9]，等級IT5至IT18的標準公差數值作為標準公差因子i的函數，標準公差因子i由下式計算[10]：

i=0.45L1/3+0.001L

(12)

i—μm

L—基本尺寸段的幾何平均值

對一般精度的零件其標準公差數值由國標GB/T1800.3規定的公式進行計算。如果尺寸L的公差等級取IT6，則尺寸L的公差值TL=10i；若公差等級為IT7； 其公差值TL=16i；若公差等級為IT8，其公差值TL=25i；若公差等級為IT9，其公差值TL=40i。

如果尺寸C和d的公差等級均選IT8，將C≈0.297D、d=0.2D代入式(12)得：

TC=25iC×10-3=(7.51D1/3+0.00743D)×10-3

Td=25id×10-3=(6.579D1/3+0.005D)×10-3

將TC和Td代入式(11)得：

TD≈0.0034D-0.0283D1/3

(13)

同理：當尺寸C和d的公差等級均選IT7精度時：

TD≈0.003414D-0.0181D1/3

(14)

當尺寸C和d的公差等級均選IT6精度時：

TD≈0.00342D-0.01132D1/3

(15)

對式(13)求一階導數得：

表1為當C和d選用不同的精度等級時，根據式(13)、(14)、(15)計算的不同工件內徑尺寸必須滿足的公差等級。

表1 工件內徑必須滿足的公差等級

根據表1可知，使用平面三滾柱定心夾具時，工件內徑必須滿足一定的精度要求。當C和d選用不同的加工精度時，不同內徑大小的工件，其內徑要求的精度也不相同。

5 根據工件內孔D公差確定d 和C

的公差

5.1 確定C和d的公差等級

設計平面三滾柱定心夾具時，首先通過已知工件的內孔公差TD查表1或根據公式(13)、(14)或(15)進行分析計算。

(1)如果根據TD分析計算得出C和d的公差等級為IT7或IT8，則按此結果進行后面的計算。

(2)如果根據TD分析計算得出C和d的公差等級大于或等于IT9，建議C和d的公差等級選用IT9。

(3)如果根據TD分析計算得出C和d的公差等級小于IT7，建議將C和d的公差等級按IT7代入公式(14)，計算出要求的工件內徑工藝公差TD，確定工件內孔D的工藝公差等級。

(4)如果得出的內孔D的工藝公差等級小于IT7，建議改用其它的夾緊方式。

根據確定的C和d的公差等級，查表得C和d的公差TC和Td。

5.2 確定d和C的上下偏差

根據d≈0.2D，圓整確定d的基本尺寸。一般d的公差帶選用h，根據已經確定的d的公差等級，確定滾柱的尺寸及公差。

根據C=0.297D確定C的基本尺寸。

根據公式(8)可得尺寸C的上偏差

(16)

根據公式(9)可得尺寸C的下偏差

(17)下面是一平面三滾柱定心夾具參數計算的實例。某企業批量加工一襯套，其形狀和主要尺寸見圖3。內孔φ和外圓φ有同軸度要求。現采用先加工φ內孔，然后使用平面三滾柱定心專用夾具，以內孔和左端面定位，靠切削力自動夾緊工件，精加工φ外圓。分析圖3可知，工件內徑D=φ50，公差TD=0.039，公差等級為IT8。根據表1可知，滾柱直徑公差等級可選用IT8。由d≈0.2D可確定滾柱直徑d為φ。

根據C=0.297D求得C=14.85。根據公式(16)可得尺寸C的上偏差ESC=0.0406。

圖3 襯套

6 結論

(1)使用帶平面三滾柱自定心夾具，工件內孔必須滿足一定的精度要求，工件內孔尺寸越大，所需的精度等級越低。

(2)滾柱直徑d和楔緊平面到心軸中心的距離C應選用相同的公差等級。

(3)若工件內孔具有較高的精度等級，則d和C可以選用較低的精度等級，以便節省制造成本；若工件內孔精度等級較低或為自由公差，則d和C應選用較高的精度等級，同時要求工件內孔達到一定的工藝尺寸精度，以滿足定位和夾緊的需要。

(4)如果因工件內孔尺寸較小而要求過高的內孔工藝尺寸精度時，綜合考慮加工成本等因素，建議改用其它的方式進行定位和夾緊。

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(編輯 李秀敏)

Main Structure Parameters Analysis of Planar Three Roller Automatic Centering Fixture

SU Pei-qun1,DENG Zhi-hui1, ZHANG Xi-liang2

(1. Machinery and Electron Engineering Department, Changzhou College of Information Technology, Changzhou Jiangsu 213164, China; 2. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China)

This paper mainly studies the effects of workpiece inner diameter in plane three roller automatic centering fixture to the main structure parameters of fixture. According to requirements of locking when manufacturing and conveniently release when ending, analyzes the relationship between tolerance of major structure dimension of fixture and the inner hole size precision of workpiece. puts forward the calculation method of the distance which is the wedge surface to center and tolerance of the roller diameter. Drawing a conclusion that the size of the inner hole of the workpiece must satisfy a certain precision, the required precision of workpiece inner hole is related not only with the manufacturing accuracy of the distance of the roller and a wedge surface to center, but also with inner diameter of workpiece. Diameter is greater, the required level of accuracy is lower.

fixture; roller; wedge angle; precision; tolerance

1001-2265(2014)07-0145-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.042

2013-10-22；

2013-12-17

國家自然科學基金(51175230)

蘇沛群(1962—)，男，江蘇常州人，常州信息職業技術學院副教授，高級工程師，研究方向為機床夾具設計、液壓系統設計等，(E-mail)854006713@qq.com。

TH122；TG751

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