薄壁模具零件特殊夾具的設計

■ 延鋒安道拓座椅機械部件有限公司 （上海 201315） 張 磊

薄壁零件在機械加工里是較常見的一種零件，其直徑方向厚度較薄，裝夾困難，在車削加工里是較棘手的難題。車床裝夾過程中容易產生彈性變形與塑性變形，其表面剛性差、強度弱，當夾爪松開拆下零件后，零件變形位置會慢慢縮回，直徑方向產生不規則的變形量，幾何誤差從而增大，尺寸各個精度無法保證，容易產生報廢件，從而浪費公司材料成本與加工成本。本次研究主要通過探討薄壁零件的裝夾難點與加工難點來設計一種特殊的夾具實現快速車削加工。

1. 零件介紹

圖1 薄壁模具零件

公司沖壓模具零件中的閉鎖鑲件如圖1所示，材料是ASSAB88的瑞典冷作模具鋼，外圓尺寸為φ（108±0.01）mm，通孔尺寸為φ（88±0.1）mm，沉孔尺寸為φ（97.5±0.01）mm、深1 0 m m，對稱兩邊各有寬（35±0.05）mm、深17.5mm及底部圓角R3.0mm的直槽，外圓端面上均分4個90°R9.5mm、深10mm的圓弧槽，現經過熱處理后需數控車床精車加工。

2. 難點分析

該零件的難點在于對稱兩邊35mm的直槽降低了零件的剛性和強度，使得卡盤裝夾十分困難，無論用多小的夾緊力都會讓零件發生彈性變形。

（1）自定心硬爪裝夾 從圖2可以看出，采用的是硬爪夾持的方式，靠夾爪前端三個小圓弧點夾緊外圓，由于夾緊力全部集中在這三個點上，受力變形量是最大的。如圖3所示，三爪夾緊后零件外圓已發生宏觀變形，這時車削出來的外圓與內孔雖然圓度很好，但是松開夾爪后外圓與內孔由變形輪廓慢慢彈回，回彈到極限位置后形狀不再發生任何改變，這時整個零件已變成異形輪廓。夾爪的夾緊力度也不好控制，力度太大，零件變形量增大；力度較小，車削時切削力大，零件容易打滑飛出，存在安全風險，加工難度極大。

圖2 普通硬爪裝夾

圖3 薄壁零件三爪受力變形

（2）自定心軟爪裝夾 如圖4所示，使用不經過熱處理的軟料制作而成的夾爪裝夾零件，三個爪身上的圓弧與零件外圓直徑相一致，這種裝夾方式較穩定牢固。但由于夾爪靠近兩邊直槽附近的極限位置，直槽周圍的壁厚較薄，剛性和強度非常差，夾緊力同樣會讓零件產生極大的彈性變形，夾緊力度如果較大甚至會讓零件直槽附近斷裂，產生零件飛出的安全風險，這種裝夾方式和加工也較困難。

3. 特殊夾具的設計

基于以上兩種裝夾方式作為理論基礎，提出一種特殊工裝夾具的設計方案，如圖5所示。

圖4 軟爪裝夾

圖5 夾具設計

結構說明：圖6為夾具的立體裝配視圖，從圖5設計圖中看出夾具由一個直徑140mm、厚度50mm的圓盤材料制作而成，在直徑120mm的端面上加工4個均分90°M12×1.75mm的螺紋孔，在中心位置加工M16、深30mm的螺紋孔。在端面φ88mm的位置上加工一個寬5mm、深5mm的工藝環形槽，兩邊端面外圓上各倒1mm×45°的工藝倒角。

工藝環形槽的目的是為了讓鏜刀車削φ88mm的通孔時，能完全車削整個輪廓到底部，如圖7所示，其作為避空效果。加工外圓可以不使用此避空槽，因尾部有1mm×45°的倒角，車削時終點距離留0.1～0.4mm的余量即可。零件上的4個R9.5mm圓弧槽作為車削內孔時的裝夾位置，M12的螺釘鎖緊在R9.5mm的圓弧槽里，制作4個開口等高墊片支撐在螺釘下面。

由于M12的螺釘一半鎖緊在R9.5mm的圓弧槽里，一半是懸空狀態，這樣鎖緊力不穩定，車削力較大，零件容易松動。如圖8所示制作4個開口等高墊片作為懸空部分的輔助支撐塊，高度與R9.5mm圓弧槽下半部分的高度相一致，使得4個螺釘接觸面同步，鎖緊力均勻平穩，零件安裝牢固。墊片每次拆裝方便，能直接插入在螺桿外部和快速拔出。

夾具體中間加工M16的螺紋孔來作為車削外圓的裝夾位置，車削好內孔后，先不拆卸4個M12的螺釘，通過M16的螺桿與螺母把圓形墊片鎖緊在零件的內孔臺階面上，再卸下M12的螺釘，達到了零件一次裝夾加工成形的目的，能方便快速車削外圓，這樣節省了后續第二次裝夾所有的輔助時間，大幅提高了批量生產效率。

圖6 夾具3D效果

圖7 避空槽工藝

圖8 開口等高墊片設計

圖9 為安裝到機床卡盤上的夾具裝配效果，由于這種裝夾方式沒有采用徑向夾持，兩次都是橫向固定的方法，零件不會發生裝夾的彈性變形。由于是橫向鎖緊，安裝牢固可靠、剛性極好，加工時不會產生切削力的振動，尺寸精度與表面粗糙度較好。

4. 工藝制定及檢測結果

加工工藝檢測結果如下所述。

（1）加工工藝 ①圓盤夾具夾持在機床卡盤上，杠桿千分表校準夾具使整個平面度保證在0.002mm的范圍里。②零件緊貼在夾具平面上，把4個M12的螺釘安裝在零件R9.5mm的一半圓弧槽里。③把4個等高開口墊片放置到M12螺釘下面，輕微鎖緊螺釘。④杠桿千分表校準零件內輪廓的同軸度，之后鎖緊M12的螺釘加工內孔所有輪廓。⑤內孔加工完成后，不拆卸M12的螺釘，把圓形墊片放置在內孔10mm深的臺階面上。⑥用M16螺桿安裝到夾具中間螺釘孔里，配合螺母壓緊圓形墊片從而鎖緊零件。⑦鎖緊后拆下4個M12的螺釘實現一次裝夾加工外圓輪廓。

圖9 整體裝配效果

（2）檢測數據 圖10為樣件經過精密三坐標檢測后得到的數據：內孔直徑（97.5+0.01）mm實際加工后尺寸為97.506mm，圓度輪廓0.005 4mm。外圓直徑（108.0－0.01）mm實際加工后尺寸為107.990 5mm，圓度輪廓0.005 1mm。內孔與外圓同心度為0.001 6mm。

數據表明該零件非常適合此夾具的裝夾與加工，零件沒有發生任何的變形，尺寸和輪廓圓度非常好，都在公差范圍內。其設計的加工工藝是經過一次裝夾加工出來的內孔與外圓，所以同心度極好，大大節省了后續不必要的所有裝夾調試輔助時間。

5. 結語

薄壁零件無論在車床裝夾上還是銑床裝夾上都是較棘手的難題，首先要解決的是裝夾彈性變形的問題，其次才是加工尺寸各個精度的問題。很多時候雖然有了普通夾具的安裝，但是避免不了還要經過第二次裝夾或多次裝夾來完成最終的加工，這樣無形中又發生了n次微量變形，使得零件同軸度（同心度）也很難保證。此次的研究能很好地解決該薄壁零件裝夾彈性變形的難題，又能快速有效地在一次裝夾中完成所有輪廓的車削，同心度得到了很好的保證，生產效率也得到了很大的提高。通過對上述夾具方案的分析以及對實際加工樣件的檢測，證明了該夾具設計方案的可行性與實用價值。

圖10 零件檢測數據