對稱偏心孔及螺紋的加工

曾柏權

（廣東省韶關市技師學院，廣東 韶關512023）

機床夾具的設計和使用是促進生產迅速發展的重要工藝措施之一，其優勢主要體現在：能確保加工精度、尺寸穩定、生產率高、降低加工成本、降低對技術工人技術水平要求、減輕技術工人的勞動強度等。當今機械行業技術迅速發展的時代，作為機械制造加工行業的一員，有責任把機床夾具設計、改進、研制作為一項重要的教研課題。

曾有一個偏心零件（偏心套）如圖1所示。偏心孔的毛坯為鑄件，外圓部分為φ100f7（）總長 160 mm；內孔部分兩端各有Φ40Js7且共軸的與外圓偏心距e=（16±0.1）mm的偏心孔；偏心孔外端帶有M45×2 的螺紋，在坯料中 φ40Js7（）的孔為實心，要在車床上精加工內孔部分尺寸。

圖1 偏心孔

內孔部分尺寸精度、形位精度要求都比較高，加工難度大，難以采用常規的方法加工。需要解決的難題是對零件的裝夾、定位、校正、尺寸精度以及同軸度公差的保證。

夾具設計方案：

（1）為保證偏心距及兩偏心孔的同軸度要求須使用專用夾具安裝加工。

（2）應考慮兩端螺紋的加工并保證同軸度要求。

結合本院臥式車床CA6140，為此設計了該零件車床上的專用夾具，如圖2所示。該夾具體由上下兩部分構成，上夾具體4的半圓弧面為其定位基準，工件定位后由兩塊V形壓板3夾緊。松開螺母7和帶螺紋的定位銷8，上夾具體相對下夾具體可繞軸水平面內轉動180°，即可調頭加工有同軸度要求的尺寸。

圖2 夾具裝配圖

1 偏心孔加工工藝和夾具設計原理

1.1偏心孔加工工藝

（1）采用一夾一頂的方法車削外圓φ100f7至φ100.5mm.

（2）采用兩頂尖安裝，磨削外圓φ100f7（）達圖紙要求，表面粗糙度Ra0.8.

（3）使用專用夾具以φ100f7為定位基面，在一次裝夾中粗、精加工兩偏心孔φ40Js7（）達圖紙要求，表面粗糙度Ra1.6及一端螺紋M45×2；在同一夾具上調頭車另一端螺紋達要求。

1.2夾具設計原理

夾具設計的原理是通過夾具φ100（）圓弧面為定位基面安裝工件，利用夾具體的圓弧面使偏心孔軸線與主軸的回轉軸線達到較高的同軸度要求，同時保證夾具回轉中心與工件基準圓中心設計距離為（16±0.03）mm，并保證其基準花盤與直角鐵定位位移誤差最大變動量小于或等于0.0175 mm[1]，可以保證兩偏心孔 φ40Js7（）偏心距（16±0.10）mm 及兩端螺紋M45×2同軸度達到圖紙要求。當加工完一端后，松開螺母和帶螺紋定位銷，把上夾具體調轉180°，鎖緊后就可以加工另一端螺紋。由于夾具回轉中心與工件基準圓中心設計距離為（16±0.03）mm未改變，從而使兩端螺紋同軸度得到保證。

2 自由度限制分析

工件在夾具上安裝進行偏心孔及螺紋的加工需要限制工件的六個自由度[1]。

2.1上夾具體自由度分析

（1）直角鐵表面相當于三個支承點，限制了三個自由度 X轉動、Y轉動、Z移動.

（2）心軸相當于兩個支承點限制了二個自由度X移動、Y移動.

（3）定位銷相當于一個支承點限制了Z轉動.

2.2工件在上夾具體半圓弧定位基準面的自由度分析

（1）圓弧基準面相當于四個支承點，限制了四個自由度 Y移動、Y轉動、Z轉動、Z移動.

（2）活動定位塊相當于一個支承點限制了一個自由度X移動.

活動定位塊工件安裝好后取下，加工此零件只限制除X轉動以外的五個自由度就能滿足加工要求，所以此夾具屬不完全定位夾具。

3 定位誤差分析和定位精度的分析

從夾具結構分析可知，夾具采用了花盤大平面、直角鐵、心軸、上夾具體進行定位，其位置會在一定的范圍內變動，這樣就產生了定位誤差。而要保證加工的孔軸線的形位公差要求，就必須使工件在夾具中定位所產生的誤差小于工件的形位公差。夾具回轉中心與工件基準圓回轉中心公差要求（16±0.10）mm，上夾具體安裝公差取工件公差的1/2至1/3為（16±0.03）mm能達圖紙加工要求。影響定位精度的原因是“心軸與直角鐵孔、工件與圓弧定位面”定位產生的定位誤差，要保證兩端孔軸線的同軸度要求，必須使工件在夾具中的定位誤差滿足定位精度要求[1]。

圓弧定位面與工件定位分析：已知圓弧定位面尺寸公差 φ100（）；已知工件外圓尺寸公差φ100f7（）[4]。圓弧定位面與工件定位通過間隙配合計算結果：最大間隙為0.027 5 mm；最小間隙為0.007 5 mm.計算方法如下：

最大間隙：（-0.0435）-（-0.036）=0.0275

最小間隙：（-0.0635）-（-0.071）=0.0075

心軸與直角鐵孔定位精度的分析：已知心軸尺寸公差 φ30h5（），已知直角鐵孔尺寸公差 φ30H6（），心軸與直角鐵孔定位通過間隙配合計算結果：最大間隙為0.022 mm，最小間隙為0，計算方法如下：

最大間隙：0.013-（-0.009）=0.022 mm

最小間隙：0-0=0 mm

則圓弧定位面與工件最小間隙為0.007 5 mm；最大間隙為0.027 5 mm；心軸與直角鐵孔最小間隙為0；最大間隙為0.022 mm；小于夾具回轉中心與工件基準圓中心設計距離為（16±0.10）mm，故滿足夾具回轉中心與工件基準圓中心設計要求。

4 受力分析和強度校核

4.1受力分析

在夾具中加工φ40Js7（）孔時，由于切削力等的影響，環首螺釘、心軸會受到切削力影響造成的一個拉應力的拉伸作用。為保證加工過程中工件位置不發生變化，必須具有足夠的夾緊力，夾緊力的大小要能克服工件的位置變動。

4.2強度校核

通過受力分析可知，心軸、環首螺釘的變形量大小主要受剪應力和離心力的影響。心軸強度必須能夠克服切削力造成的剪應力。

（1）主切削力的計算：根據主切削力的近似計算公式，主切削力的大小主要與工件材料、切削深度和進給量有關。FZ=1 000 apf，工件材料為鑄件、若車削時選取 ap=2 mm、f=0.2 mm/r，則：

FZ=1 000×12×0.2=2 400（N）[2]

（2）拉應力的計算：根據心軸的直徑為φ40 mm、截面積A=πR2=3.14×202≈ 1 256 mm2.

бb=FN/A總 =FN/2A=2 400÷（2×1 256）≈1 MPa[3]

（3）強度校核：心軸的材料為45#，材料許用應力為600 MPa[4].

根據拉伸強度條件бb=FN/A≤[б]

бb≈1 MPa ≤ [б]

故：心軸符合拉伸強度要求。

5 夾具制作及裝配

5.1主要元件的要求

夾具結構由9部分組成，分別是花盤、直角鐵、上夾具體、心軸、V形壓板、環首螺釘、定位銷、平衡塊、活動定位塊。其中：花盤、直角鐵、環首螺釘都是車床附件可作為組合夾具直接使用。而上夾具體、V形壓板、心軸、定位銷、平衡塊要專門制造。

（1）上夾具體加工工藝

上夾具體是該夾具重要組成部分加工精度要求高，加工工藝如下：尺寸如圖3所示

1）使用鋸床

下料：（160× 155× 145）mm

2）使用數控銑床

銑四個平面，保證面與面之間的形位公差要求及尺寸精度要求。

3）使用車床

采用四爪卡盤裝夾，調整偏心距達公差要求（16±0.10）mm；百分表校正外圓達平行度0.01 mm，粗精加工φ100（）至圖紙要求，粗糙度達Ra1.6.

4）使用線切割

以軸向方向偏離圓柱軸線割開取70 mm達圖紙要求，割R52圓弧。

5）使用數控銑床

以大平面為基準按形位公差要求及各尺寸要求銑好各尺寸至圖紙要求。

圖3 上夾具體

（2）V形壓板

V形壓板是夾具的重要組成部分，安裝在上夾具體上主要作用是鎖緊工件，保證工件在夾具體上的加工位置。加工工藝如下：通過刨、鉆、銑按圖紙要求加工，尺寸如圖4所示。

圖4 V形壓板

（3）心軸

心軸安裝在上夾具體上，主要作用是實現上夾具體調轉角度加工，加工工藝如下，尺寸如圖5所示。

1）使用車床

通過三爪卡盤裝夾，完成￠78、￠30、￠24 外圓粗加工和精加工，并保證其尺寸精度和形位精度要求；加工M24螺紋達到其配合尺寸精度要求；切槽2×1保證端面垂直倒角、檢查。

2）使用數控銑床或加工中心，按圖紙尺寸要求加工沉孔，并保證其配合尺寸精度要求。

圖5 心軸

5.2裝配

在裝配之前先調整主軸間隙小于0.02 mm.把花盤端面精車，還要把外角鐵兩大平面精刮。將工件外圓、端面涂一層藍色顯示劑，在V形架上用高度游標尺畫中心線、找準偏心距畫偏心圓。把外角鐵安裝在花盤上，依次安裝各零件，其尺寸公差可取工件相應尺寸公差的1/3～1/2.裝好后用量塊百分表檢測。

6 結束語

專用夾具解決了加工中的難度，該夾具結構簡單，夾具體材料采用HT200和45#，主要是在于工件裝夾、定位、校正、切削過程等各種因素影響，只要抓住關鍵因素，并協調好其他關聯因素，就能使切削加工順利進行。

參考文獻：

[1]陳 望，王愧德.車工實用手冊[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2002.

[2]胡荊生.公差配合與持技術測量[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2000.

[3]許兆豐，梁君豪，南曉東.車工工藝學[M].北京：勞動出版社，1996.

[4]蔡月珍，王有先，王慶翔，等.金屬材料與熱處理[M].北京：中國勞動出版社，1993.