機(jī)夾刀片工作面激光熔覆夾具設(shè)計(jì)

李淑玉，李成彪

(1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266033; 2.青島理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，山東青島 266033)

機(jī)夾刀片工作面激光熔覆夾具設(shè)計(jì)

李淑玉1，李成彪2

(1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266033; 2.青島理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，山東青島 266033)

設(shè)計(jì)夾具解決機(jī)夾刀片工作表面激光熔覆時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)刀片各工作表面準(zhǔn)確切換以及定位精度低等問題，同時(shí)提高了機(jī)夾刀激光熔覆加工效率。

激光熔覆;機(jī)夾刀片;夾具

切削加工是基本而又常用的精密加工手段，決定切削加工效率的因素很多，如機(jī)床、刀具、工件等，其中刀具是最活躍的因素。而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等，在很大程度上取決于刀具材料的機(jī)械性能和加工性能。以機(jī)夾刀片為基體，在刀片上制備新的合金涂層，使刀片具有更加優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高溫化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高溫?zé)峥拐裥阅埽悄壳暗毒卟牧涎芯颗c開發(fā)的熱點(diǎn)。然而，目前市場(chǎng)上的涂層刀片涂層在使用過程中容易出現(xiàn)裂紋甚至涂層剝落，原因在于涂層與刀片的結(jié)合力太小，嚴(yán)重影響了刀片的使用壽命與機(jī)械加工精度。為改善這一缺陷，可以采用激光熔覆技術(shù)對(duì)刀片工作表面進(jìn)行局部激光熔覆處理，可在不犧牲刀片結(jié)構(gòu)整體特性的前提下，使涂層與基體間的結(jié)合由原先的機(jī)械結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，從而更好地滿足工作需求。

1 問題的提出

刀片的類型繁多，以盤式立銑刀片為例。圖1所示的盤式立銑刀片的結(jié)構(gòu)圖，圖中標(biāo)記的A、B、C面分別代刀片的前刀面、副后刀面和主后刀面。副后刀面和主后刀面各有4個(gè)面，分別用B1、B2、B3、B4和C1、C2、C3、C4表示。此3面均為工作表面，為提高刀片的整體加工性能，在對(duì)刀片進(jìn)行激光熔覆處理時(shí)，必須分別對(duì)這3個(gè)表面進(jìn)行激光熔覆處理。

熔覆所用激光設(shè)備的工作臺(tái)由水平移動(dòng)的x軸、y軸及帶有三爪卡盤的旋轉(zhuǎn)軸組成。水平x、y軸用以實(shí)現(xiàn)工件相對(duì)于激光的水平移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸和三爪卡盤用來夾緊工件并實(shí)現(xiàn)工件相對(duì)于激光在三維空間中的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸上裝有刻度盤，以便準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度。此外，整個(gè)激光器以及激光傳輸裝置能整體上下移動(dòng)，其作用是調(diào)節(jié)激光加工時(shí)的離焦量。

激光熔覆處理屬于精密加工，特別是離焦量的控制尤為嚴(yán)格，一旦工件定位出現(xiàn)偏差，將會(huì)在很大程度上影響熔覆質(zhì)量。然而由以上分析可知，要使得刀片各工作表面在激光熔覆過程中方便并準(zhǔn)確地切換與定位，僅憑激光工作臺(tái)來裝夾是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)專門的夾具才能滿足加工需求。

2 夾具的設(shè)計(jì)

在滿足使用過程中工件定位的穩(wěn)定性和可靠性的前提下，使得工件的裝夾過程簡(jiǎn)單、快速，并且盡可能地避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的零件是設(shè)計(jì)工裝夾具的一貫原則。此刀片工作面激光熔覆夾具的設(shè)計(jì)就是在這個(gè)原則的指導(dǎo)下完成的。

2.1 工作原理分析

圖2 刀片夾具的結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)盤式立銑刀片 (圖1)各工作面激光熔覆處理的研究，專門設(shè)計(jì)了一套夾具以實(shí)現(xiàn)工件快速裝夾以及準(zhǔn)確定位。刀片夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。刀片夾具由旋轉(zhuǎn)軸1、螺釘2、彈簧3、手柄4、定位銷5、螺釘6、盤式立銑刀片7、定位軸8、墊圈9、彈簧10和螺母11組成，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)刀片的定位和各工作面的切換。其中旋轉(zhuǎn)軸1裝夾在激光多功能加工機(jī)工作臺(tái)的三爪卡盤上，通過旋轉(zhuǎn)軸上的刻度盤，能夠精確控制整個(gè)夾具的旋轉(zhuǎn)角度;定位軸8上均勻分布著8個(gè)分度孔，與定位銷5之間形成精確定位;定位銷5、定位軸8與旋轉(zhuǎn)軸1均為間隙配合，既能保證相互間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又能保證定位精度。

整個(gè)工作過程大體可分為三個(gè)部分:面A的激光熔覆、面B的激光熔覆和面C的激光熔覆。首先對(duì)面A進(jìn)行加工，如圖2所示夾具組裝完成后，將旋轉(zhuǎn)軸1左端裝夾在三爪卡盤上，此時(shí)通過轉(zhuǎn)動(dòng)三爪卡盤以保證刀片面A呈水平狀態(tài)，這時(shí)可對(duì)刀片面A進(jìn)行激光熔覆加工;其次是面B激光熔覆，待刀片面A熔覆完成后，采用手動(dòng)或者程序控制三爪卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度依照刀面B面斜度而定，轉(zhuǎn)動(dòng)的目的是使得刀片面B1朝上并呈水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)完成后，可對(duì)刀片面B1進(jìn)行激光熔覆加工;待刀片面B1熔覆完成后，向左推動(dòng)手柄4，壓縮彈簧3至定位銷5和定位軸8分離，此時(shí)輕微壓縮彈簧10，可輕易旋轉(zhuǎn)定位軸8，略微放松彈簧3，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度約為90°時(shí)，憑借彈簧3的推力，定位軸5就會(huì)自動(dòng)與定位軸8形成配合，保證旋轉(zhuǎn)角度恰好為90°，此時(shí)刀片面B2朝上并呈水平狀態(tài)，這時(shí)可對(duì)刀片面B2進(jìn)行激光熔覆;重復(fù)上一步，就可依次對(duì)面B3、B4進(jìn)行激光熔覆加工;最后對(duì)面C進(jìn)行熔覆處理，待面B4加工完成之后，依照上述操作，將旋轉(zhuǎn)軸8轉(zhuǎn)動(dòng)45°，此時(shí)面C1朝上，由于面B、C斜度不一樣，此時(shí)應(yīng)利用旋轉(zhuǎn)軸上的刻度盤進(jìn)行微調(diào)，使刀片面C1呈水平狀態(tài)，這時(shí)可對(duì)刀片面C1進(jìn)行激光熔覆;待面C1加工完成，將定位軸8轉(zhuǎn)動(dòng)90°，就實(shí)現(xiàn)了面C1、C2的切換，依此類推就可分別對(duì)面C2、C3和C4進(jìn)行激光熔覆，這樣就方便且準(zhǔn)確地完成了刀片各工作表面的激光熔覆處理。

2.2 關(guān)鍵零件分析

該夾具最關(guān)鍵的零件是旋轉(zhuǎn)軸1和定位軸8。旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示，橫向通孔與定位銷5之間存在相對(duì)滑動(dòng)，豎向通孔與定位軸8之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，相互之間均為間隙配合，因此配合處的精度以及表面質(zhì)量要求均比較高，并且為了使定位更加準(zhǔn)確，兩孔的中心線與圖3所示的基準(zhǔn)面A之間必須保證足夠的位置精度。此外橫向孔之所以設(shè)計(jì)成通孔是從便于孔加工方面考慮的，通孔的左端為內(nèi)螺紋，裝配時(shí)可憑借螺釘來實(shí)現(xiàn)彈簧與定位銷之間的連接。

圖3 旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)圖

定位軸的結(jié)構(gòu)如圖4所示，上表面放置刀片，下表面與旋轉(zhuǎn)軸接觸，因此上、下表面均有表面質(zhì)量要求，并且與整個(gè)定位軸中心線之間有嚴(yán)格的位置度要求;上表面設(shè)計(jì)了與刀片面B(圖1)斜度相同的直角凸起，裝配時(shí)，刀片面B與凸起斜面接觸，以保證刀片相對(duì)于定位軸的位置不變;如圖2所示，定位軸圓周上均勻分布有8個(gè)分度孔，每個(gè)孔分別對(duì)應(yīng)著刀片的一個(gè)后刀面 (面B或C)，為了實(shí)現(xiàn)精確定位，分度孔設(shè)計(jì)成錐度孔，從便于加工方面考慮，孔的錐度為1∶50，分度孔與定位銷形成定位，其加工質(zhì)量是保證定位精度的關(guān)鍵，加工時(shí)可先用銑床銑出直孔，再用1∶50的鉸刀進(jìn)行鉸孔。

圖4 定位軸的結(jié)構(gòu)圖

除了上述兩零件外，對(duì)整個(gè)夾具定位精度影響較大的是定位銷5，定位銷5的錐度必須與定位軸分度孔的錐度保持一致才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位;另外，兩壓縮彈簧的選擇都必須根據(jù)實(shí)際需要力的大小進(jìn)行選取，彈簧剛度過大或太小都會(huì)對(duì)操作產(chǎn)生影響。

3 結(jié)束語

該夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位可靠、拆裝方便以及使用壽命長(zhǎng)，能夠有效提高機(jī)夾刀片工作表面激光熔覆時(shí)的合格率及加工效率。此外該夾具有一定的通用性，對(duì)于三角車刀片、菱形車刀片等也同樣適用，在變換刀片裝夾時(shí)，只需將定位軸8上分度孔的個(gè)數(shù)以及各孔中心線之間的角度根據(jù)實(shí)際需要略作變換即可。通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該夾具能夠有效解決機(jī)夾刀片在進(jìn)行激光熔覆時(shí)各工作面連續(xù)切換困難以及定位精度低等問題。

【1】曹鳳國(guó).激光加工技術(shù)［M］.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，2007:121.

【2】洪蕾，吳鋼.激光加工技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:人民交通出版社，2008:135.

【3】于啟勛.新型硬質(zhì)合金－表面涂層硬質(zhì)合金［J］.機(jī)械工程師，2001(6):67－69.

【4】張堅(jiān)，邱斌，趙龍志.激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展［J］.材料熱處理技術(shù)，2011，40(18):116－119.

【5】左鐵釧.21世紀(jì)的先進(jìn)制造:激光技術(shù)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:125.

【6】張永康，周建忠，葉云霞.激光加工技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:205.

【7】孟憲源，姜琪.機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:5.

【8】王建，楊銀桂，姜?jiǎng)τ?旋轉(zhuǎn)定位座焊機(jī)焊接頭設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2010(11):107－108.

Fixture Design for Laser Cladding on the Working Face of Machine Clip Blade

LI Shuyu1，LI Chengbiao2
(1.College of Automotive and Transportation，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong 266033，China; 2.Engineering Training Center，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong 266033，China)

A fixture was designed to solve the problems of the working face switch difficulty and low position accuracy when the working face of machine clip blade was processed by laser cladding technology.The fixture can also improve the processing efficiency.

Laser cladding;Machine clip blade;Fixture

TG665;TG751

B

1001－3881(2014)8－026－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.009

2013－02－20

李淑玉 (1966—)，女，教授，研究方向?yàn)樘胤N加工與模具技術(shù)。E－mail:lichbiao@163.com。