一種鏈板式零件的氣動可調銑削夾具

晁瑞, 李志峰

（陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中723000）

0 引 言

一種鏈板式零件，主要應用于航空運輸機的裝配過程。在加工過程中，要求裝配軸承的通孔中心有極高的精度，從而達到保證裝配體安全可靠的要求，但由于通孔中心與定位點不在同一平面內，導致通孔中心定位有較大誤差。

目前，國內外諸多學者、高校及組織機構對異形零件中心定位加工方法展開研究。陳忠偉等[1]針對大批量、高精度齒輪磨削加工過程中齒輪心軸難以定心的問題，提出了一種便于操作的由楔塊與錐軸構成斜楔機構的具有高裝夾效率的夾具；易湘斌等[2]針對高校實驗室加工小型軸類零件在車床上利用三爪自定心卡盤裝卡，重復開車、停車和松夾細小工件，輔助工時較長，勞動強度大的問題，設計了一種軸向定位自動定心不停車車床夾具；陳祖芳等[3]分析了汽車轉向柱管底座這類異形件的產品特點，設計了一種自動定心夾緊車床夾具；胡志剛等[4]以交叉正交孔零件為例，提出了基于Top-Down方法的自動定心鉆床夾具設計。

綜合上述文獻發現，相關研究人員對軸類零件的定心夾緊進行了大量的研究，但是對于異形鏈板式零件孔心定位的研究較少。由于此類零件屬大批量加工零件且孔心定位精度要求極高，現提出一種基于圓柱銷外切于零件端面的孔心定位方法，設計一種鏈板式零件氣動可調銑削夾具，實現此類異形零件的自動裝夾與孔心定位。

1 鏈板式零件的結構分析

根據文獻[5]對零件進行了簡單的結構分析。某公司加工一種鏈板式零件，大批量生產，材質為鋁合金，該零件外形成J形，一端是圓弧，另一端是板形，板材厚度為σ，其中一端加工φ17 mm通孔，通孔中心距離左邊距為72.5±0.15 mm，距離下邊距為15±0.2 mm，通孔加工粗糙度為Ra0.8 μm，該零件毛坯為精密鑄造，各方向表面較為平滑，該零件結構圖如圖1所示。

2 鏈板式零件的機械加工工藝分析

此鏈板式零件的主要作用是連接機體與各零部件，在右側通孔內裝配軸承，該軸承與軸相配合達到連接支承的作用。在這個過程中必須保證通孔具有較高的圓柱度和表面粗糙度要求。由于此鏈板式零件用于航空機體上，所以，對零件的質量、剛度、耐磨性等具有嚴格要求，該公司選用的材料為鋁合金。

該零件是一種不便于利用常規方法加工，但零件的精度要求高、零件的硬度要求偏低的薄壁型零件。該夾具是針對工廠加工特殊零件在裝夾加工中存在的問題和原因，提出的解決方案和策略，旨在能幫助工廠在加工特殊零件時使用專用夾具提高生產效率、節約成本[6]。

傳統加工方法是通過劃線找圓心的方法對孔中心進行定位，由于該零件的不規則性，孔中心與各邊不在同一平面內，從而導致劃線法找出的圓心誤差較大，加工出的產品不合格率高。

3 夾具設計

3.1 夾具的結構

為了解決上述問題，設計出一種專用夾具，該夾具由1個壓板、螺栓、L形支撐架、氣動壓緊裝置、三角形墊塊、2個圓柱銷、斜楔式墊鐵、夾具體組成，圖2為該夾具結構圖。

3.2 夾具的定位與裝夾

零件側面與夾具體凸臺上平面構成平面定位副，氣動壓緊裝置[7]與零件一平面構成平面定位副，限制2個自由度，通過螺栓、壓板與夾具體對零件進行固定，限制2個自由度，兩點定位圓柱銷對零件圓弧方向一側面構成兩點定位，限制2個自由度，實現6點定位。夾緊機構采用螺栓、壓板和氣動夾緊裝置；在夾具裝夾過程中輔助支承并不起定位作用，通常是用來提高零件的裝夾剛度和穩定性；圓柱銷與零件外圓端面相切，通過中心距的位置關系及兩點定位圓心的工作原理對孔中心實施定位，然后再利用圓心與工件底面的位置距離關系對零件底面進行定位；如若此類不同零件孔中心與工件各端面位置距離發生變化，可通過調節圓柱定位銷的位置來實現不同孔中心的定位。

3.3 夾具安裝與加工

由于對開螺母外形不規則，其加工工藝過程中均采用專用夾具[8]。在使用鏈板式零件的氣動可調銑削夾具時，將夾具體通過四角的腰槽用螺栓固定在銑床工作臺上，待加工的工件置于工作臺上，利用兩個定位圓柱銷對工件的圓心進行定位，通過夾具體上的三角形墊塊對工件的位置進行輔助調整，位置確定后通過螺栓和壓板進行固定，調整結束后利用氣動壓緊裝置對工件進行夾緊，將斜楔式墊鐵置于工件下方，通過旋轉螺桿對工件的位置進行二次調整，并保證在進行鉆孔時鉆頭可以通過斜楔式墊鐵的U形槽，直至滿足加工條件為止后將斜楔式墊鐵進行鎖緊；加工完成后，將螺栓松動取下壓板；然后將氣動壓緊裝置收縮，取下工件，加工完成。圖3為該夾具裝夾三維圖。

4 銑削力和夾緊力計算

4.1 銑削力計算

在臥式銑床上采用高速鋼立銑刀加工端面通孔時，其中銑削深度ap為5 mm，根據文獻 [9]～[10]，銑削力的計算公式為

式中：FC為圓周銑削力，N；ap為銑削深度，mm；af為每齒進給量，mm/z；aw為銑削寬度，mm；KFC為銑削條件改變時銑削力修正系數；d0為銑刀直徑；n為銑刀齒數。

當加工工件材料為鋁合金時，CF、xF、yF、uF、wF、qF各系數的值如表1所示[9]。

將表1各系數以及各參數代入式（1）得FC=566.25 N。

由于待加工工件的材料為鋁合金，所以在此基礎上還需乘以系數0.25才能得到準確的銑削力。所以銑削力為：0.25FC=141.56 N。

表1 鋁合金材料各系數值

4.2 夾緊力的計算

夾具采用氣缸作為夾緊動力源, 與液壓傳動相比，氣壓傳動反應動作迅速、傳動回路簡單、操作簡便。根據動力學平衡原理，氣動夾緊機構計算簡圖和受力分析[11]如圖4所示。

根據動力學平衡原理可列出平衡方程：30RA-90F=0。式中，F=141.56 N。

計算得出夾緊力RA=424.68 N，由此得出，選用輸出推力大于計算得出的夾緊力即可。由于在右側端面底部設有機床調整墊鐵，在防止工件變形的同時可提供一部分支持力，所以在選用氣缸時可相應地降低對氣缸推力的要求。

5 線性結構靜力學分析

線性結構靜力學分析[11-13]用于確定加載機構的位移、應力、應變或反力等。利用ANSYS Workbench對工件-夾具系統進行靜力學分析，計算固定載荷對工件結構的影響，分析工件的變形和受力情況。靜力分析方程為

式中：K為剛度矩陣；X為位移矢量；F為靜力載荷。

當夾具安裝在臥式銑床的工作臺上時，高速鋼立銑刀開始銑通孔，銑削深度為5.2 mm。銑削力為141.56 N，將建好的模型導入ANSYS分析模塊中，然后添加模型材料屬性，劃分網格，施加載荷與邊界條件，設置求解項，最后求解并顯示分析結果。下面是對同種夾具在有無斜楔式墊鐵的情況下，兩種不同裝夾方式對工件變形量影響程度大小的靜力學分析結果,如圖5所示。

由圖5（a）可知，此種結構中待加工工件通孔端面所受最大應力為13.938 MPa；由圖5（b）可知，此種結構中待加工工件通孔端面所受最大應力為2.106 MPa；由圖5（c）可知，此種結構中待加工工件的最大變形量為3.331×10-2mm；由圖5（d）可知，此種結構中待加工工件的最大變形量為2.6836×10-3mm。通過圖5（a）與圖5（b），圖5（c）與圖5（d）數據比較可得，無論是工件所受最大應力和工件最大變形量，圖5（b）和圖5（d）內所示工件-夾具系統都優于圖5（a）和圖5（c）內所示結構。

在圖5（b）中，工件所受最大應力為2.106 MPa，遠小于工件材料的屈服強度50 MPa，而圖5（d）中，工件最大變形量為2.6836×10-3mm，所以工件在此種結構中不易發生破壞，更易滿足工件的加工要求。

6 結 論

針對鏈板式零件進行了結構分析，設計了一套銑床專用夾具，計算了工件實際所受載荷，并對工件-夾具系統進行了靜力分析，通過對同種夾具不同裝夾方式的力學分析，得出工件最小變形量為2.6836×10-3mm，由此選擇最佳裝夾方案，從而全面提高了鏈板式零件的加工質量和性能指標。該夾具具有結構簡單、定位精確、緊固安全可靠、易調節、易制作和造價低等優點。本次設計充分體現了專用夾具對于提高生產效率、提高加工質量的優勢。該設計對其它同類專用夾具設計具有一定的參考價值。[1] 陳忠偉,楊宇強,張接信.一種齒輪磨削高效率自定心心軸夾具[J].機床與液壓,2017(10):36-38.