一種軸類零件磨齒快換夾具設計與應用

閆鵬輝 余功炎

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安710119)

目前國內外針對軸類零件的磨齒夾具從夾緊原理上分為兩種。

第一類為靜壓膨脹夾具，通過驅動膨脹壁內的液壓介質，使膨脹壁產生變形夾緊工件。該結構夾具制造技術難度高，基本被國外壟斷，價格高。該類夾具雖然夾緊精度高但漲緊間隙小，一般為夾緊直徑的1/1 000，通常齒輪軸類零件夾緊直徑在35～50 mm，漲緊間隙不超過0.05 mm，這就要求零件定位基準的尺寸公差控制在0.025 mm以內，否則零件會夾不緊或放不進去，而且夾具換產時必須整體拆卸，費時費力。第二類為與錐面配合的開槽漲套結構。該結構夾具漲緊間隙在0.15～0.25 mm，對零件定位基準的尺寸公差要求相對寬松，但漲緊間隙仍有限，通用性不高，也不能快速換產。該類夾具采用死頂尖定心，無法引導零件上下料，在上下料機械手重復運動精度較低的自動化生產工況，常出現裝夾時位置偏移使零件與夾具定位孔錯位而不能正確裝夾問題，導致機床頻繁報警，嚴重影響加工效率。

1 新型磨齒快換夾具的結構設計

1.1 夾具的整體結構設計

夾具的整體結構如圖1所示。連接法蘭1與機床的工作臺面，連接法蘭1的上側設置有活塞4，活塞4的上側連接有拉桿6，拉桿6的上側通過花鍵連接有漲套9，活塞4和拉桿6的內部空間中設有用于使工件10定心的頂尖11，頂尖11的下端設有向外的第一環形突起，活塞4的中部設有向內的第二環形突起，第一環形突起和第二環形突起相互配合以限制頂尖11的位置，頂尖11的底部設有盲孔，盲孔中設有頂尖彈簧14，頂尖彈簧14的底部設有端蓋19，且端蓋19與連接法蘭1固定。

活塞4和拉桿6的外側套設有底座2，且底座2與連接法蘭1固定，底座2與活塞4的之間設有若干能夠向下推動活塞4的復位彈簧15，復位彈簧15設置在底座2下部的彈簧盲孔中，底座2與活塞4的之間還設有用于防止活塞4轉動的圓柱銷22，圓柱銷22的一端固定在活塞4上，另一端與設置在底座2下部的銷孔配合連接，漲套9的外側套設有支撐座7，且支撐座7與底座2固定，漲套9上設有第一限位槽，支撐座7上穿插設有與第一限位槽配合的第一限位螺釘12，拉桿6上設有第二限位槽，底座2上穿插設有與第二限位槽配合的第二限位螺釘23，連接法蘭1上設有連接至活塞4和連接法蘭1之間間隙的法蘭油路24，法蘭油路24的端部設有液壓堵頭17；活塞4的上部與底座2之間設有第一O型圈5，拉桿6與底座2之間設有第二O型圈13，活塞4的中部與底座2之間設有第三O型圈16，活塞4的下部與連接法蘭1之間設有第四O型圈20，連接法蘭1與底座2之間設有第五O型圈；底座2與連接法蘭1通過若干第一內六角圓柱頭螺釘3連接，支撐座7與底座2通過若干第二內六角圓柱頭螺釘8連接，端蓋19與連接法蘭1通過若干第三內六角圓柱頭螺釘18連接，連接法蘭1與機床通過若干第四內六角圓柱頭螺釘21連接。

1.2 夾具的關鍵細節設計

(1)快換漲套結構及系列化設計

如圖2所示，漲套在整體加工完成后切割成若干組塊，組塊之間通過彈性橡膠25粘結。如漲套9的裝配孔加工為花鍵，與拉桿6的花鍵進行配合，實現快速連接。漲套外部開有防轉槽，在連接后通過緊定螺釘12鎖死，可防止漲套因轉動脫開。

對不同的工件夾持直徑，其余尺寸可保持不變，只需改變漲套與工件配合孔徑φ的大小并形成直徑系列，方便漲套的加工制造，降低成本。

(2)夾具的排污及排氣設計

夾具的排污及排氣設計如圖3所示。底座2的上端面上有環形槽26，環形槽26底部均布若干泄油孔27，使從外面進入漲套內的油污和鐵屑能及時排出。底座2上開有第一排氣孔28，使拉桿6、底座2和活塞4之間密閉的空氣及時排出。底座2上還開有第二排氣孔29，使底座2和活塞4之間密閉的空氣及時排出。

1.3 磨齒快換夾具的工作原理

(1)夾具的夾緊動作

機床執行夾緊程序命令時，機床和夾具接口的液壓油增壓，油通過夾具連接法蘭1上的法蘭油路24進入活塞4與連接法蘭1形成的密閉腔，腔內油壓升高推動活塞4向上運動，從而推動與之相連接的拉桿6，活塞4與拉桿6為螺紋連接，拉桿6繼而推動漲套9向上運動，漲套9錐面由于受支撐座7內錐面的限制向內收縮，從而夾緊工件10。

(2)夾具的松開動作

機床執行松開程序命令時，機床和夾具接口的液壓油泄壓，復位彈簧15推動活塞4向下運動，活塞4與連接法蘭1密閉腔里的液壓油通過法蘭油路24流回機床油箱，活塞4拉動拉桿6向下運動，拉桿6拉動漲套9向下運動，漲套9錐面與支撐座7內錐面脫離，由于漲套9各個組塊之間填充有彈性橡膠25，使漲套9膨脹為自由尺寸狀態，漲套9內孔直徑變大，從而松開工件10。

(3)中心頂尖的引導動作

夾具在未放入零件時，頂尖11被頂尖彈簧14向上推起，頂尖11上端尖部高出支撐座7的上端面，因此工件10在放入夾具孔中時，首先中心孔與頂尖11上端尖部接觸，使工件10定心，然后機床尾頂尖進入工件10另一端中心孔并向下推動工件，頂尖彈簧14被壓縮，使工件10無偏心的進入漲套9內孔。當夾具松開拆卸工件10時，機床上尾座向上移動，頂尖彈簧14將頂尖11向上推出，從而工件10推出夾具，頂尖11下端有第一環形突起，運動一定行程后與活塞4內孔的第二環形突起貼合，使頂尖11停止向上移動。

(4)漲套的快速更換

對于不同直徑系列的零件裝夾，在更換漲套9時，先將第一限位螺釘12旋出，再松開第二內六角圓柱頭螺釘8，取下支撐座7，輕輕旋轉漲套9一定角度，使漲套9的內孔花鍵中凸出部分從拉桿6的花鍵槽中脫離，從而取下漲套9。將要更換的漲套9花鍵凸出部分對準拉桿6的花鍵槽并輕輕旋轉一定角度，使漲套9卡到花鍵槽中，裝上支撐座7，將第一限位螺釘12旋入并微轉漲套9使第一限位螺釘12進入漲套9的第一限位槽中，將第二內六角圓柱頭螺釘8上緊，實現漲套9的快速更換。

2 新結構夾具的創新點及優勢

2.1 新結構漲套提升漲緊間隙，通用性更高

本夾具的漲套采用彈性橡膠粘接方式設計，夾緊間隙最大達到1 mm，可實現定位直徑相差在1 mm以內零件的通用。一般軸類零件的夾持部分留有0.3 mm左右的精加工余量，對于有熱處理前磨齒和熱處理后磨齒兩種工藝路線的零件，本夾具可實現兩種狀態零件使用一套夾具，達到零換產的效果。

另外，夾具漲緊間隙提升容許工件夾持部分的尺寸公差放大，可從0.025 mm放寬到0.1 mm，前序的工件合格率及刀具壽命大幅提升。

2.2 快換結構節省更換時間，降低夾具成本

本夾具的漲套與拉桿連接設計為花鍵轉接,只需將漲套旋轉一定角度即可實現漲套與拉桿的連接和分離，從而實現快速更換。不同直徑系列零件只需更換漲套即可，不需要將整套夾具全部拆下，縮短了更換時間，降低了操作者的勞動強度。不同直徑系列零件只需投制不同直徑系列的漲套，而不用整套投制，夾具成本大幅降低。

2.3 頂尖引導工件正確裝入，更適合自動化生產

中心活動頂尖設計為大行程的彈簧復位結構，零件定位外圓在進入夾具前先由活動頂尖定心，不斷引導零件進入定位孔，保證零件定位精確，解決舊結構磨齒夾具無引導頂尖，裝入時易錯位問題。零件卸下時，在機床尾座頂尖的輔助下，活動頂尖可將工件推出夾具，便于自動上下料機械手抓取零件。

3 新結構夾具的應用效果

磨齒工序一般要求齒輪加工精度等級在GB 10095 6級以上，對夾具的裝夾精度要求相比其他夾具更高，一般要求夾持徑向和端面跳動在0.005 mm以內。無論靜壓膨脹結構還是開槽漲套結構，目前滿足該精度的軸類磨齒夾具基本被國外壟斷，而且無法實現快換和通用。本夾具通過檢測校準件的精度接近進口水平，可實現替代，見表1。

表1 新舊磨齒夾具精度對比

一般進口軸類磨齒夾具單套售價在10萬元以上，本文中的新結構夾具已實現國產化制造，單套成本在1萬元以內。通過在生產現場批量推廣應用，共設計夾具底座2套、漲套8個，覆蓋了生產現場近20種軸類零件，節省夾具一次性投入超過100萬元。進口夾具采購周期在3個月以上，本夾具投制周期只需1個月，大幅縮短了新零件試制開發周期。現場應用見圖4。

4 結語

本文設計了一種適用于軸類零件的新結構快換磨齒夾具，通過采用橡膠粘接漲套提升了漲緊間隙，提升夾具通用性；通過系列化的快換漲套設計方案，在保證裝夾精度的同時能實現快速換產；通過設計大行程的中心引導活頂尖，解決了自動化生產時工件裝夾容易錯位報警問題；該新結構夾具已在大批量生產中推廣應用，取代進口品牌降低制造成本；該夾具設計方案也可為滾、插齒等其他工序的裝夾提供新思路。