固定軸端面銑削力學(xué)分析與夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)*

李 根，袁小江

(無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

0 引 言

鑄鋼零件在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，然而由于鑄造工藝本身缺點(diǎn)使得鑄造零件精度不高，對于有一定精度要求的零件必須在鑄造工藝后對零件進(jìn)行加工處理，通過精密加工使零件達(dá)到最終使用精度要求。固定軸零件是應(yīng)用在某型號機(jī)電設(shè)備上的重要零件，它的生產(chǎn)通常采用模具壓力鑄造，采用此方法加工的零件的重要安裝尺寸精度無法達(dá)到應(yīng)用要求，通常這類零件是在鑄造工藝后，對零件進(jìn)行精度機(jī)械加工。機(jī)械加工時，由于具有一定的批量，以及零件本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，零件不能直接定位裝夾在機(jī)床上，需要采用專用夾具進(jìn)行定位、裝夾、加工；所以正確的定位、合理的裝夾夾具結(jié)構(gòu)是鑄造類零件后續(xù)機(jī)械加工的重要工藝裝備。

筆者針對鑄造零件后加工工序中定位與裝夾的難題，提出通過力學(xué)計(jì)算優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用零件的定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致性原則，實(shí)現(xiàn)加工精度要求，保證加工時零件不會因?yàn)榍邢髁Φ绕渌蛩貙?dǎo)致被加工零件松動等情況，解決了加工過程中的操作安全性、高效率、方便性等諸多問題，實(shí)現(xiàn)了固定軸零件的鑄造后續(xù)加工工藝，對鑄造零件后工續(xù)加工工藝具有良好的指導(dǎo)和借鑒價值。

1 固定軸零件工藝分析

某型號鑄鋼固定軸零件如圖1所示，其3D模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用鑄造工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，之后采用切削加工方式達(dá)到圖1所示精度要求。此類工藝零件在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中比較普遍，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常先采用鑄造工藝生產(chǎn)出毛坯零件，鑄造工藝可以方便處理零件的工藝結(jié)構(gòu)，之后對鑄造工藝精度無法達(dá)到的特征采用機(jī)械精加工實(shí)現(xiàn)零件的整體工藝要求。

圖1 固定軸零件圖

根據(jù)圖1所示精度要求，鑄造工藝對相關(guān)公差精度無法保證，需要通過鑄造工藝留加工余量后進(jìn)行切削加工。根據(jù)加工工藝基面先行原則，毛坯固定軸鑄鋼件先以上端面平面為基準(zhǔn)加工A基準(zhǔn)面，再以外形和已加工的A基準(zhǔn)面進(jìn)行定位加工B基準(zhǔn)。根據(jù)圖紙公差基準(zhǔn)要求，固定軸的上端面平面要求與A、B基準(zhǔn)分別平行和垂直，故進(jìn)行上端面加工時需要采用前道工序已經(jīng)加工的A、B基準(zhǔn)進(jìn)行定位，即采用一孔一面的形式進(jìn)行定位裝夾加工。

2 零件裝夾定位分析

根據(jù)固定軸零件工序分析，加工上端面時需要采用如圖1所示的A、B基準(zhǔn)進(jìn)行裝夾定位，A基準(zhǔn)是下端面，與夾具平面基準(zhǔn)定位裝夾即可；B基準(zhǔn)是內(nèi)孔，通常內(nèi)孔定位采用圓柱銷的結(jié)構(gòu)形式。通過分析發(fā)現(xiàn)，固定軸零件直接采用A、B基準(zhǔn)定位加工上端面時會有以下幾點(diǎn)問題。

(1) 內(nèi)孔定位的圓柱銷與零件之間會有定位間隙，加工時由于切削力等因素會使得零件松動，影響精度和安全；不利于批量加工應(yīng)用的定位結(jié)構(gòu)。

(2) 本工序加工固定軸零件的上端面，零件的裝夾鎖緊有困難(因上端表面全部都是加工面，所以不能在上端面進(jìn)行裝夾壓緊零件)；其他裝夾結(jié)構(gòu)形式不牢固、不可靠。

(3) 夾具要求快速、安全、可靠裝夾零件；如果采用比較復(fù)雜、繁瑣的裝夾與定位結(jié)構(gòu)，必然要影響零件加工的效率，使得零件的經(jīng)濟(jì)性受到較大影響。

3 零件受力分析

根據(jù)上述零件裝夾定位分析的問題點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要對銑削力進(jìn)行計(jì)算分析，要求零件的裝夾力大于銑削力，確保零件銑削加工上端面時安全、可靠，保證精度。通過準(zhǔn)確的理論力學(xué)計(jì)算，確保零件裝夾力大于加工時的切削力[1]。

根據(jù)鑄鋼材料固定軸零件的特點(diǎn)，銑削上端面工序時采用硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行加工，硬質(zhì)合金銑刀銑削力P的計(jì)算公式[2]為：

(1)

式中：t為每次進(jìn)給的銑削深度，粗加工時可取1～2 mm，精加工時可取0.1～0.5 mm；Sz為起刀量，取0.1～0.25 mm/齒；D銑刀直徑，取φ12～25 mm；B為銑削總深度，取2～5 mm；Z為銑刀刃齒數(shù)，取2～4；Kp為材料修正系數(shù)，取2。

綜合加工工藝因素，取值時按照較大切削力原則，代入公式得：

P=2×52×20.9×0.250.8×10-0.8×5×3×10

=1 523.90 N

實(shí)際銑削加工中，進(jìn)給量、銑削深度等參數(shù)較小(通常精度加工時，每刀進(jìn)給量、每次切削深度會適當(dāng)偏小，這也是機(jī)械精加工和粗加工的基本區(qū)別)[3]，按照精加工要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所以實(shí)際銑削力比計(jì)算所得數(shù)值要小。根據(jù)銑削力進(jìn)行初步分析計(jì)算，以此為依據(jù)優(yōu)化夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述固定軸零件定位、裝夾與銑削力的分析，夾具結(jié)構(gòu)采用A基準(zhǔn)平面定位，B基準(zhǔn)內(nèi)孔定位與內(nèi)孔漲緊鎖緊的結(jié)構(gòu)形式，同時設(shè)置限位塊使得加工時零件防轉(zhuǎn)。夾具結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

圖3 夾具方案結(jié)構(gòu)圖1.防轉(zhuǎn)銷 2.蓋板 3.旋壓螺釘 4.壓塊 5.滑塊 6.彈簧 7.本體

夾具采用固定軸零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行定位，固定軸零件放置時，把零件的內(nèi)孔與夾具B基準(zhǔn)外圓進(jìn)行粗定位放到夾具本體上，并使得零件下端面貼合夾具A基準(zhǔn)定位面，然后采用內(nèi)六角螺釘扳手使得旋壓螺釘3向下運(yùn)動，夾具采用梅花壓塊的上下旋壓結(jié)構(gòu)形式，使得滑塊自定心水平運(yùn)動，在定位的同時，漲緊夾緊零件。這樣的方案結(jié)構(gòu)很好地解決了零件裝夾定位分析中涉及的問題。定位鎖緊的滑塊采用三個滑塊一組的結(jié)構(gòu)形式，先加工出錐角和外圓等結(jié)構(gòu)，然后采用線切割加工出如圖4所示的三個零件，這保證了滑塊組合體的精度和尺寸的一致性，使得與零件定位夾緊的B基準(zhǔn)有良好的同步精度。

圖4 滑塊組合體圖 圖5 壓塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)固定軸零件內(nèi)孔定位裝夾的特點(diǎn)，滑塊設(shè)計(jì)為圓周三等分的三個零件組合體結(jié)構(gòu)形式，通過4壓塊下壓運(yùn)動，滑塊產(chǎn)生水平運(yùn)動，這樣滑塊就與零件內(nèi)孔貼合定位并鎖緊零件。壓塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)零件的有效行程與操作空間，滑塊采用70°的錐角結(jié)構(gòu)與壓塊配合。滑塊的鎖緊力由旋壓螺釘驅(qū)動壓塊下壓所產(chǎn)生的推力，通過螺釘旋壓產(chǎn)生鎖緊力，故需要計(jì)算校核螺釘?shù)逆i緊力是否大于銑削力，同時根據(jù)螺釘鎖緊力的大小調(diào)整螺釘?shù)某叽绱笮。瑥亩鴥?yōu)化夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)夾具方案結(jié)構(gòu)分析，螺釘工作時與壓塊孔壁有間隙，工作時螺釘受預(yù)緊力和軸向工作載荷F作用，螺釘受拉、扭組合作用的軸向總拉力F0與螺釘?shù)脑S用拉應(yīng)力關(guān)系公式為(有緊固要求動載荷時，取F0=(1.6～2.0)F)[4]：

(2)

式中：d1為螺紋小徑(初步選用M10螺釘，螺紋小徑取值8.5 mm)；[σ]為許用拉應(yīng)力，[σ]=σs/S，其中σs螺釘屈服點(diǎn)，取240 MPa，S為安全系數(shù)，取1.5。

代入公式計(jì)算得F=6 980.46 N(F0=2×F)。根據(jù)圖4所示滑塊斜角為70°，故螺釘鎖緊產(chǎn)生的水平推力F1為：F1=F×cot 70=2 540.19 N。

通過計(jì)算分析得出，M10螺釘鎖緊力大于零件銑削力，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)方案的合理性。同時為增大操作空間，增加夾具零件的強(qiáng)度，可考慮采用小型號的螺釘，例如采用M8螺釘(螺紋小徑取值6.4)，通過計(jì)算得F=3 957.37 N，則F1=1 440.09 N，則計(jì)算發(fā)現(xiàn)M8螺釘所產(chǎn)生的零件鎖緊力小于銑削力(1 523.90 N)，故夾具零件鎖緊螺釘最小采用M10螺釘。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對滑塊組合的運(yùn)動自由度限制，采用了蓋板防止滑塊向上脫離夾具體，同時在滑塊組合體零件的底部設(shè)計(jì)有圓柱銷限位結(jié)構(gòu)，對滑塊的運(yùn)動行程進(jìn)行限位，防止滑塊運(yùn)動超程而出現(xiàn)卡滯等現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

文中以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較典型的固定軸零件為研究對象，針對鑄造類固定軸零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了鑄造工藝與后續(xù)機(jī)械加工工藝的關(guān)聯(lián)性，重點(diǎn)針對鑄造類零件后續(xù)加工工藝中出現(xiàn)的定位與裝夾等困難，綜合考慮了專用夾具設(shè)計(jì)中要求的零件定位準(zhǔn)確、裝夾可靠、操作方便安全、高效經(jīng)濟(jì)，同時又兼顧精度與經(jīng)濟(jì)性的要求；為避讓干涉等因素，固定軸零件根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)采用內(nèi)漲緊鎖緊的結(jié)構(gòu)形式，即避開了零件不能裝夾壓緊的上端面，又達(dá)到了鎖緊效果，通過壓塊機(jī)構(gòu)與組合式滑塊結(jié)構(gòu)結(jié)合，使得零件定位的一致性可靠準(zhǔn)確，又通過計(jì)算分析該結(jié)構(gòu)的鎖緊力大于銑削力，在保證零件加工精度的同時，使得夾具可以針對固定軸零件進(jìn)行批量生產(chǎn)加工，其夾具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，精度可靠，通過切削力與裝夾力的分析計(jì)算，優(yōu)化了夾具結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，得到了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。