異形盤類零件磨削加工定位夾緊裝置的設計

彭琛，張穎利

南京信息職業技術學院智能制造學院 江蘇南京 210023

1 序言

盤類零件是機械加工中最常見的零件種類之一，且一般具有回轉結構及加工部位對稱的特點。因而，盤類零件夾具在設計時，多會借助圓形或其他具有回轉結構的對稱形狀來進行設計。一般情況下，將盤類零件裝夾到夾具上并固定后，往往是利用加工設備，一次性加工完設備可加工的部位。

但上述設計思路對于圖1所示的某企業待加工的異形盤類零件卻不適用。由圖1所示的零件圖樣可知，該零件有5個均布R80mm圓弧，要求圓弧長度方向不得有錐度，零件全部倒角為1mm×45°。該零件經過熱處理后，待加工部位的硬度達到60～62HRC。一般情況下，銑削加工設備中所用的刀具只適用于硬度＜60HRC的工件，硬度＞60HRC的工件，一般只能采用磨削加工，否則加工成本過高，經濟性差。結合待加工零件自身的幾何特征，設計了一種結構簡單且裝夾方便的專用夾具。

圖1 待加工異形盤類零件

2 現有夾具的設計缺陷

一般情況下，零件的定位方式和夾緊裝置是機床夾具設計的關鍵，將直接影響零件的加工精度[1]。對于圖1所示的類似零件，往往是利用零件中心的槽孔，設計穿心軸配合分度盤來進行裝夾，或借助軸孔中的心軸與鎖緊螺母配合進行定位[2，3]。但從圖1所示的待加工零件的幾何特征細節來看，零件的內外結構具有以下幾何特征。

1）該零件內部結構簡單，易于裝夾和加工。

2）該零件外部結構的截面雖然近似圓形，但實際卻是分別由5段R80mm和5段R20mm的圓弧所構成，且R80mm和R20mm的圓弧中心不重合。

同時，由圖樣上的加工要求也可知，該零件在加工過程中還有以下難點。

1）待加工部位的硬度達到60～62HRC，一般只能采用磨削加工。

2）待加工部位的截面形狀不是規則的圓形，故在加工時不能使用普通的機床夾具進行定位，而需要根據待加工部位的幾何特征來設計特殊的夾具，以確保零件的加工精度。

3）由于待加工部位雖是圓弧，但與中心圓孔的中心不重合，常規設計的夾具無法解決加工圓弧與工件中心不重合的情況，甚至無法實現圓周運動，僅能完成特定的回轉度，對72°的分度需求無法達成[1，4]。

如果采用傳統穿心軸配合分度盤或盛煥君等[3]的思路來設計夾具，則產品在加工的時候，分度盤不僅需要進行計算和選擇適宜的分度孔，而且操作步驟繁瑣，需要多次調整才能完成1個零件的5個弧面加工，費時費力。除此以外，分度盤一般使用蝸桿蝸輪機構來進行控制，只能完成特定角度的回轉，如90°、60°、45°和30°，不適用于72°，加工精度無法保證。徐禮標[5]提出的“利用‘誤差平均效應’原理，以圓柱銷和鋼球對定的分度裝置設計的快速分度定位盤類夾具”亦不適用于72°分度的特殊角度。此外，若使用平磨加工，R80mm的圓弧面無法加工出來。

綜上所述，傳統夾具的設計思路無法滿足零件的技術要求，需要另尋其他方案來進行夾具設計。

3 設計思路

由于傳統夾具設計方案或其他已發表的夾具設計方法存在缺陷，針對圖1所示零件的具體幾何特征，可以打破傳統夾具一次性整體加工的方案，化整為零，用一種新的思路來設計。

1）利用某一具有和待加工零件相同分度參數的特殊夾具本體，通過特定的軸和一些標準件，將零件裝夾好。

2）一次裝夾時，需要同時安裝5個待加工零件，使得磨床加工5個工件不同位置的一段工作弧面。

3）這5處待加工圓弧如果從夾具本體正上方投影后，將其集聚到同一圓心，恰好可以看到這5處圓弧與單一零件待加工的5處圓弧重疊。

4）將待加工零件按同一方向同一方位依次裝夾，5次一組，即可完成5個零件所有待加工圓弧表面的加工。

這種設計方案，夾具結構簡單但設計巧妙，僅需圓形底盤與定位軸和定位鍵配合，即可實現工件軸向和徑向定位。夾具的定位精度高，裝夾可靠。夾具雖然形狀特殊，但加工簡便，制作成本低，且適宜大批量零件加工，可減少專用夾具的使用，并可應用于相似結構的異形盤類零件加工。

4 夾具設計

根據上述設計思路，圖2所示夾具由以下幾部分組成。

圖2 夾具主體結構

定位螺釘、定位平鍵、墊圈和緊固螺母均采用標準件，對應的工作原理是：夾具主體定位軸兩頭采用緊固螺母，用來限制夾具主體定位軸和待加工零件的軸向運動，同時將夾具主體定位軸與夾具主體固定。

如圖2所示，由于夾具主體充分利用了待加工零件的幾何特征，在夾具主體的圓形表面上均勻分布了5個形狀以及尺寸相同的待加工零件定位孔，且待加工零件定位孔上的內鍵槽的形狀、大小和朝向均相同。當使用磨床加工零件時，按順序在夾具主體上放置好5個待加工零件，分別對5個零件的待加工圓弧進行磨削加工。如果將這5段待加工圓弧的圓心集聚為1點，并將其投影到與夾具主體端面平行的平面后，恰好可以看出，這5處圓弧與單一零件待加工的5處圓弧重疊。因此，后面只要按順時針或逆時針方向將待加工零件分別裝夾到夾具主體內其他的待加工零件定位孔內鍵槽上，依次加工5次，就可以將5個零件的加工工作全部完成。由該夾具的幾何特征可見，工件裝夾簡單，易于操作，且加工效率和可靠性均較高。

在車間利用相關機械加工設備進行產品試生產驗證，夾具及產品加工效果如圖3 所示。借助專用檢測工具進行檢測，結果表明所設計的夾具完全能夠滿足待加工零件的機械加工要求。

圖3 夾具及產品加工效果

5 結束語

經過實踐檢驗，充分利用待加工零件自身的幾何特性，打破傳統整體裝夾加工形式，探索出一種結構簡單但易于加工制造的特種異形盤類零件夾具設計方案，設計出的夾具不僅可以保證零件加工的精度和效率，而且便于裝夾和操作。文中提供的設計思路可以借鑒到其他相似零件的夾具設計之中。