四軸加工中心加工盤套類零件的夾具設計

溫志峰

（梅州市技師學院，廣東 梅州 514071）

隨著數控技術的發展，數控加工有逐漸向多軸方向發展的趨勢，多軸加工中心（如四軸、五軸加工中心）正逐漸在生產中得到廣泛應用，它們的優點是能在一次裝夾的情況下進行多面加工，從而大大縮短加工時間，保證零件的加工質量。常見的四軸加工中心是在原有三軸立式或臥式加工中心的基礎上添加第4個旋轉軸，一般旋轉軸添加在與X軸平行的工作臺面上，并可繞X軸360°旋轉，此旋轉軸被定義為A軸。四軸加工中心特別適合一些軸類、盤套類等零件的定向加工或聯動加工[1]。

以一項對越野賽車變速箱組件球面隔圈進行加工的生產任務為例，探討盤套類零件加工的夾具設計。球面隔圈材料為40Cr，件數300件。球面隔圈的外圓、球面、內圓和端面等均已在前面的工序中達到精度要求。加工主要是對球面隔圈的4處裝配槽和8個Φ10 mm孔進行加工。球面隔圈的4處外形齒是在下一道工序中進行線切割加工的，不屬于本加工范疇。球面隔圈屬盤套類零件，考慮到其4處裝配槽和8個Φ10 mm孔的均布性，故選用四軸立式加工中心對其進行加工，機床型號為沈陽機床VMC850E，配套系統為Fanuc-0i系統。

1 問題的出現及解決方案

球面隔圈（圖1和圖2）屬越野賽車變速箱組件，它是差速行星齒和十字軸的固定座，并通過端面、離合片傳遞扭矩，作用非常重要。球面隔圈零件（圖3）主要由外圓、內圓、孔和球面等組成，在Φ102.3 mm外圓上均布4處裝配槽和4處外形齒，在Φ98 mm外圓上均布8個Φ10 mm孔。為保證4處裝配槽和8個Φ10 mm孔均勻分布，利用四軸加工中心A軸的自動分度功能進行定向加工。加工時，傳統的裝夾方法是采用三爪自定心卡盤直接夾持零件的外圓，但是這種裝夾方法容易出現如下問題：

圖1 來料實體

圖2 球面隔圈實體

圖3 圖2中A處的放大示意圖

圖3 球面隔圈零件

（1）零件的外圓、端面、球面等均已在前面工序加工到位，且內壁較薄，徑向剛度較差，所以當夾緊力過大時容易夾傷零件，甚至導致零件變形，報廢。

（2）由零件的結構特征可知，4處裝配槽和8個Φ10 mm孔分別分布在Φ102.3 mm和Φ98 mm外圓上，如果在一次裝夾的情況下同時對它們進行加工，刀具與卡盤會發生干涉，造成碰撞的危險，而如果分兩次裝夾對它們進行加工，那么每個工件都需安裝2次且進行2次對刀，生產效率低下，并且在2次裝夾的情況下，由于安裝誤差的存在，裝配槽和Φ10 mm孔之間的相互位置精度也難以保證。

為了避免出現上述問題，設計一套專用夾具對球面隔圈進行裝夾，該夾具操作簡單方便，無需夾持零件外圓，由原來的徑向夾緊變為軸向夾緊，不僅能有效防止工件被夾傷，避免刀具與卡盤發生干涉碰撞，而且每個工件只需1次裝夾就能同時完成8個Φ10 mm孔和4處裝配槽的加工，無需調頭進行二次裝夾，從而滿足裝配槽和孔之間的相互位置精度要求，且整批工件除第1個需對刀外，接下來的工件無需重新對刀就能直接加工，有效減少了裝夾、對刀等輔助時間，大大提高了生產效率和加工質量，適合大批量生產。

2 夾具設計

2.1 定位方案

在本工序加工前，球面隔圈的外圓、內孔和端面等均已加工達到要求，從而為定位基準的選擇提供了有利條件。為了在一次裝夾中完成4處裝配槽和8個Φ10 mm孔的加工，現以零件Φ57.85H7 mm孔和Φ98 mm外圓端面為定位基準，定位方案如圖4所示，以Φ57.85H7 mm孔為定位基準，消除2個移動自由度；以Φ98 mm外圓端面為定位基準，消除2個轉動自由度和1個移動自由度。所以，通過該定位方案，消除了5個自由度，屬于不完全定位，滿足加工要求。

圖4 定位方案

2.2 定位裝置設計

定位裝置主要是為了保證工件相對于刀具處于一個正確的位置，它是夾具的核心部分。為實現上述定位方案，可選用定位心軸作為夾具的定位元件。定位心軸結構如圖5所示。

圖5 定位心軸

由圖5可看出，定位心軸的結構主要由外圓、螺紋孔和外圓端面溝槽所組成。定位時，零件的Φ98 mm外圓端面與定位心軸的Φ92 mm軸環左端面相貼合，消除了2個轉動自由度和1個移動自由度，零件的Φ57.85H7 mm孔與定位心軸的Φ57.85g6 mm短外圓柱面相配合，消除了2個移動自由度。為了便于裝拆工件，定位心軸與零件Φ57.85H7 mm孔采用間隙配合，配合類型為H7/g6。在定位心軸的Φ57.85g6 mm外圓和Φ92 mm軸環交接處有一條外圓端面溝槽，它的作用有2個：（1）作為磨削加工的砂輪越程槽；（2）使零件的Φ98 mm外圓端面更好地貼緊定位心軸的Φ92 mm軸環左端面，讓定位更加可靠。

另外，在定位心軸左端有1個M16螺紋孔，它是用來與夾緊裝置中的M16內六角螺栓及壓板等一起鎖緊零件的。定位心軸在機床上的安裝是靠四軸加工中心A軸上的三爪自定心卡盤夾緊定位心軸的Φ60 mm外圓來實現的，如圖6所示。

圖6 定位心軸在機床上的安裝

2.3 定位誤差分析

定位誤差是指一批工件定位時，被加工表面的工序基準在沿工序尺寸方向上的最大可能變動范圍，用符號ΔD表示。定位誤差ΔD一般由基準不重合誤差ΔB和基準位移誤差ΔW兩部分組成，它們之間的關系是：ΔD=ΔB+ΔW。根據工藝規程，當使用定位心軸定位時，要保證的尺寸主要有8個Φ10 mm孔的位置尺寸10±0.1 mm和4處裝配槽的位置尺寸6.5±0.05 mm。

因為球面隔圈4處裝配槽和8個Φ10 mm孔均是通的，所以當零件以Φ57.85H7 mm孔為定位基準時，由配合間隙產生的在槽深或孔深尺寸方向上的定位誤差可以通過調整刀具位置加以消除，故可不予考慮，設計時主要分析以零件Φ98 mm外圓端面為定位基準時所引起的定位誤差。在一般情況下，用已加工過的平面作定位基準面時，因表面不平整所引起的基準位移誤差較小，故基準位移誤差可不予考慮，即ΔW=0。因此，當零件以Φ98 mm外圓端面為定位基準時，其基準位移誤差ΔW=0。

（1）工序尺寸10±0.1 mm的定位誤差分析

在工序尺寸方向上，因零件以Φ98 mm外圓端面為定位基準，故基準位移誤差ΔW=0，又因工序尺寸的工序基準也是Φ98 mm外圓端面，因此不存在基準不重合誤差，即ΔB=0，所以定位誤差ΔD=ΔB+ΔW=0，定位誤差小于工序尺寸公差的三分之一（0.2/3=0.067 mm），符合要求。

（2）工序尺寸6.5±0.05 mm的定位誤差分析

在工序尺寸方向上，因零件同樣以Φ98 mm外圓端面為定位基準，故基準位移誤差ΔW=0，又因工序尺寸的工序基準為Φ102.3 mm外圓端面，顯然工序基準和定位基準不重合，因此存在基準不重合誤差ΔB，基準不重合誤差的數值由定位尺寸36.65±0.01 mm的公差確定，所以ΔB=0.02 mm，即定位誤差ΔD=ΔB=0.02 mm，定位誤差小于工序尺寸公差的三分之一（0.1/3=0.033 mm），也符合要求，所以該定位方案合理。

2.4 夾緊裝置設計

為了使工件加工時在切削力、慣性力等外力作用下，仍然保持已定位好的位置，在夾具上還須設置夾緊機構對工件施加適當的夾緊力。夾緊裝置應具備以下要求：夾緊動作準確迅速，操作方便省力，夾緊力大，具有良好的自鎖性能，結構簡單，易于制造。針對盤套類零件普遍存在的內壁較薄，徑向剛度差，容易變形等缺點，本夾具考慮使用壓板在螺紋副的作用下壓緊球面隔圈Φ84 mm內圓底面，變徑向夾緊為軸向夾緊，從而夾緊工件。

2.4.1 夾緊機構

因為毛坯整體尺寸不大，質量較輕，故可采用螺旋夾緊機構，該螺旋夾緊機構主要由M16內六角螺栓、平墊圈、壓板組成。為使機構簡單，便于鎖緊工件，直接在定位心軸上加工M16螺紋孔，并選用M16內六角螺栓（GB/T 70.1-2000）以滿足強度要求。同時為防止內六角螺栓工作時產生松動，在M16內六角螺栓和壓板之間要放置平墊圈。平墊圈的結構可根據螺紋公稱直徑從標準GB/T97.2-1985中選取。

2.4.2 壓板

壓板是將螺紋副產生的夾緊力傳遞到工件表面，實現對工件夾緊的。螺旋夾緊機構的壓板結構如圖7所示。從圖7可知，壓板為圓柱形，直徑為Φ71 mm，高10 mm，材料為45#鋼，上、下表面的表面粗糙度Ra值為3.2 μm，在壓板中心有一Φ18 mm螺栓孔。

圖7 壓板零件

2.5 組裝夾具

定位裝置和夾緊裝置設計完畢后，將定位裝置、夾緊裝置和來料組裝后的夾具如圖8所示。

圖8 夾具

夾具的操作流程如下[2]：

（1）先用四軸加工中心A軸上的三爪自定心卡盤裝夾好定位心軸，然后用百分表對定位心軸的Φ57.85g6 mm短外圓柱面和Φ92 mm軸環左端面進行找正。

（2）將工件在定位心軸上裝夾好后，對首個工件進行對刀，由于夾具已經確定了工件與刀具的相對位置，所以之后的工件無需再對刀。

（3）按預編的加工程序完成4處均布裝配槽和8個Φ10 mm孔的加工。

球面隔圈專用夾具分解效果如圖9所示。

圖9 夾具分解效果

3 結語

生產實踐中常常會遇到一些裝夾困難，大批量生產的零件，為了提高生產效率和加工質量，往往要設計一些專用夾具對零件進行裝夾。本夾具的主體為定位心軸，結構簡單，操作方便，易于制造，并經過實踐驗證，解決了球面隔圈在四軸加工中心上的裝夾問題，縮短了加工輔助時間，保證了零件的加工質量，因而可以有效降低生產成本，創造一定的經濟效益，如期完成生產任務。此外，本夾具的定位原理和夾緊方式也可推廣到其他盤套類零件的夾具設計中去，同樣能取得良好的效果[3]。