切刀軸銑削夾具設(shè)計(jì)

姚東升

（汕頭市高級(jí)技工學(xué)校，廣東 汕頭 515041）

在切膜機(jī)中，切刀軸是整個(gè)機(jī)器的關(guān)鍵零件，對(duì)整個(gè)機(jī)器質(zhì)量起著非常重要的作用。因此，在生產(chǎn)加工中，將切刀軸的銑削加工工序列為關(guān)鍵工序，并對(duì)其嚴(yán)格控制。由于該零件的加工精度要求高，并且需多次裝夾校正，產(chǎn)品合格率及生產(chǎn)效率都非常低，嚴(yán)重制約著廠家的生產(chǎn)效率。為了提高生產(chǎn)率，本人在摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，與廠家技術(shù)人員多次協(xié)商，設(shè)計(jì)了與之相適應(yīng)的帶自定心結(jié)構(gòu)的可翻轉(zhuǎn)的組合式切刀軸銑削夾具?，F(xiàn)以某型號(hào)切刀軸（如圖1）為例介紹如下：

圖1　某型號(hào)切刀軸零件圖

1　零件的加工特點(diǎn)

該廠切刀軸零件的機(jī)加工過程是：車加工好毛坯及整個(gè)切刀軸外形及φ12mm內(nèi)孔至尺寸，后用立式加工中心完成銑削三個(gè)鍵槽，兩個(gè)20mm槽及多個(gè)螺紋孔及階梯孔、斜孔的加工。這個(gè)流程需要裝夾7次，除了斜孔加工精度要求不高，可在普通鉆床上完成外，加工中心上面加工的四面有三次需要使用百分表校正，輔助時(shí)間非常多。

在銑削過程中，加工部分分布在切刀軸的四面，20mm的裝刀槽要求的平行度、對(duì)稱度為0.03mm，是整個(gè)加工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是產(chǎn)生廢品的主要原因。

為保證產(chǎn)品尺寸及形位精度的要求，確定定位基準(zhǔn)及如何定位尤其重要。在此前，本人了解到廠家加工原來的加工方案是在工作臺(tái)上安裝好定位塊，每次裝夾都要使用百分表找正，來保證20mm槽的平行度與對(duì)稱度，整個(gè)加工過程需要多次裝夾，輔助時(shí)間很長(zhǎng)，嚴(yán)重影響加工精度。為了解決該問題，廠家技術(shù)人員也嘗試做過夾具但效果不理想。后來聯(lián)系其他廠家，使用四軸加工中心加工，但由于技術(shù)原因，質(zhì)量不穩(wěn)定，同時(shí)加工費(fèi)用昂貴，使得該廠不得不放棄外加工這一選擇。由于該零件批量并不大，廠家沒有打算自己購(gòu)置四軸加工中心，致使該問題一直沒有得到有效的解決。

通過校企合作，本人了解到這個(gè)問題，在與技術(shù)人員深入交流后，了解了產(chǎn)品加工的順序和要求，認(rèn)為可以重新設(shè)計(jì)一套夾具來解決這個(gè)問題，但新夾具的設(shè)計(jì)與制造必須考慮以下幾點(diǎn)：

（1）要保證行切刀軸在整個(gè)加工過程中的軸跳動(dòng)要滿足加工要求。

（2）要適應(yīng)不同型號(hào)的切刀軸。

（3）要滿足前兩點(diǎn)，若每個(gè)工件仍靠人工校正并每次調(diào)整程序上的坐標(biāo)值，這不利于發(fā)揮立式加工中心的高效率，必須通過設(shè)計(jì)合適的夾具來保證。

（4）考慮加工效率，兩個(gè) φ12 mm的 45°斜孔（過線孔）加工精度不高可單獨(dú)制作夾具，也可另行安排其他工序單獨(dú)加工。

（5）可參考四軸加工中心的加工方式，采用一頂一夾的裝夾方式，但要注意有效消除夾頂裝置形位誤差對(duì)加工的影響。考慮加工零件長(zhǎng)短不一，部分零件尺寸規(guī)格過長(zhǎng)，所以?shī)A具采用分體式，即整套夾具由三大部分組成。

（6）零件右端 φ12mm過線孔應(yīng)和整個(gè)毛坯軸一同加工出來，同時(shí)與毛坯軸的外圓同軸度誤差不大于0.01mm。

（7）該零件屬于細(xì)長(zhǎng)軸類加工，加工過程中零件受力變形嚴(yán)重影響零件的加工質(zhì)量，設(shè)計(jì)夾具時(shí)要充分考慮如何解決這個(gè)問題。

2　夾具的結(jié)構(gòu)和定位原理

基于上述考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種帶自定心結(jié)構(gòu)的可翻轉(zhuǎn)組合式的加工夾具，如(圖2)所示。該夾具主要三部分組成，分別是左側(cè)的夾緊分度裝置，中間的雙向平口鉗夾緊機(jī)構(gòu)和右側(cè)的頂針機(jī)構(gòu)。其中，左側(cè)的夾緊分度機(jī)構(gòu)由三爪卡盤，定位芯軸，分度法蘭盤，左底座，左支架，插銷，阿基米德螺線凸輪塊和鎖緊螺母等組成。中間的雙向平口鉗夾緊機(jī)構(gòu)由底座和雙向平口鉗組成，右側(cè)的頂針機(jī)構(gòu)由頂針，右支柱，鎖緊螺釘，右底座，絲桿，螺母，燕尾導(dǎo)軌座，壓板，鑲條,軸承等組成。

圖2　切刀軸夾具結(jié)構(gòu)示意圖

將夾具的三部分夾具分別置于機(jī)床工作臺(tái)，通過T形槽用螺栓緊固。利用插銷和阿基米德螺線凸輪塊將三爪卡盤定住，再將車工加工好的毛坯夾緊，注意先不要夾緊，利用扳手扳動(dòng)絲桿，帶動(dòng)頂尖頂緊，使毛坯左側(cè)端面貼緊定位芯軸后，鎖緊三爪卡盤，最后使用雙向平口鉗夾緊工件，完成第一次裝夾。待工件第一面（有鍵槽的一面）加工好后，松開阿基米德螺線凸輪塊和頂針，拔起插銷，轉(zhuǎn)動(dòng)分度法蘭盤90°后，插進(jìn)插銷，先后緊固阿基米德螺線凸輪塊和頂針，完成二次裝夾，進(jìn)行第二面加工，以此類推，完成第三面和第四面的裝夾和加工。

整套夾具在整個(gè)加工過程中需要不停翻轉(zhuǎn)，很容易產(chǎn)生累計(jì)誤差，影響產(chǎn)品精度，這就要求夾具要安裝的非常精準(zhǔn)，安裝過程采用基準(zhǔn)棒先裝夾在夾具上，通過百分表找正基準(zhǔn)棒，使三部分的夾具處在合適的高度和位置上。

3　設(shè)計(jì)制造中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

（1）定位芯軸與左支撐板的連接方式，定位芯軸在本套夾具中非常重要，它的主要作用一是給工件在X軸方向做定位面，二是連接左支撐板和分度法蘭盤，三是作為分度法蘭盤旋轉(zhuǎn)分度的軸?？紤]定位芯軸的作用，就要確保位置固定的同時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不能產(chǎn)生軸向或徑向的跳動(dòng)，定位芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是與左支撐板之間發(fā)生，所以定位芯軸與左支撐板的連接方式就要注意。

經(jīng)過與技術(shù)人員協(xié)商，我們決定不按照一般軸的安裝方式，即利用軸承將軸的位置固定，這樣在翻轉(zhuǎn)或受力時(shí)容易使定位芯軸差生累積誤差或者傾斜、跳動(dòng)，影響加工精度。我們采用先轉(zhuǎn)動(dòng)后定位軸的方式，利用定位芯軸的錐面與左支撐板的錐面配合定位。松開阿基米德螺線凸輪塊后，定位芯軸可以自由移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，但緊固阿基米德螺線凸輪塊后，定位芯軸的位置就固定了，而且每次旋轉(zhuǎn)后的定位基準(zhǔn)未變，所產(chǎn)生的誤差將會(huì)很小，進(jìn)而保證加工質(zhì)量。

（2）定位心軸與分度法蘭盤的加工與連接，分度法蘭盤連接著三爪卡盤，定位芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)分度法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是帶動(dòng)著三爪卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，三爪卡盤的軸線與定位芯軸軸線之間的重合度誤差將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，即兩個(gè)20mm寬的裝刀槽對(duì)稱度和平行度無法保障。針對(duì)這個(gè)問題，我們決定先把分度法蘭盤的毛坯與定位芯軸的毛坯連接好，焊接，時(shí)效處理后，再加工分度法蘭盤兩面與定位芯軸整體，將兩個(gè)零件當(dāng)成一個(gè)零件來加工，這樣可大大降低兩條軸線重合度的誤差。

（3）頂尖的移動(dòng)方式，頂針的主要作用就是支撐和定位，其主要?jiǎng)幼骶褪乔昂笠苿?dòng)，考慮定位作用時(shí)就要注意頂針在受力時(shí)不能產(chǎn)生任何徑向跳動(dòng)，否則零件的對(duì)稱度和平行度將無法得到保證。進(jìn)過討論，我們決定將頂針與右支撐柱利用鎖緊螺釘固定死，這樣頂針在受力時(shí)不會(huì)因?yàn)榕c配合孔的間隙產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，影響產(chǎn)品加工。右支撐柱與燕尾滑板連接在一起，利用燕尾槽結(jié)構(gòu)和絲桿螺母結(jié)構(gòu)前后移動(dòng)，帶動(dòng)頂針完成支撐和定位的功能。

（4）夾具的調(diào)整，本套夾具是組合式可翻轉(zhuǎn)的，零配件較多，任何一個(gè)零件的尺寸誤差都可能使整套夾具失去作用，而在保證零配件尺寸的同時(shí)，由于整套夾具由三大部分組成，安裝調(diào)整至關(guān)重要。本套夾具安裝的重點(diǎn)在于左側(cè)三爪卡盤的軸線和右側(cè)頂針的軸線同軸度誤差不大于0.015mm，兩者與機(jī)床坐標(biāo)軸的平行度誤差不大于0.015mm。而且三爪卡盤180°翻轉(zhuǎn)后也要達(dá)到這樣的精度。才能保證20mm槽的加工精度。

（5）中間雙向平口鉗夾緊問題，該零件長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，加工中很容易產(chǎn)生變形，而夾具本身是屬于旋轉(zhuǎn)分度結(jié)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)后因零件變形所產(chǎn)生的誤差將使零件精度超差，產(chǎn)生廢品，為了解決零件在加工過程中變形的問題，就必須增加零件的剛性，為此我們考慮在零件中間使用雙向平口鉗夾緊，增加零件在加工時(shí)的剛性?？紤]零件被夾具左右兩部分一夾一頂?shù)难b夾方式已經(jīng)完成定位，雙向平口鉗的夾緊會(huì)產(chǎn)生過定位現(xiàn)象，同樣影響零件質(zhì)量，我們使用鋁料制作雙向平口鉗的鉗口，這樣在保證增加零件剛性的同時(shí)，不影響零件的定位，避免了過定位的發(fā)生。

4　夾具定位誤差分析及夾緊力分析

4.1　定位誤差分析

造成定位誤差的原因來自兩個(gè)方面：一是定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)不重合，由此產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差△B；二是定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合，由此產(chǎn)生基準(zhǔn)位移誤差△Y。因此定位誤差便這兩項(xiàng)誤差之和即為：△D=△B+△Y。

為了減少定位誤差給加工帶來加工誤差，本夾具選擇了彈簧插銷定位裝置來作為工件加工的翻轉(zhuǎn)角度限位。因?yàn)樗抢谩安邃N錐頭配合插入裝夾板錐孔”的方式，來消除翻轉(zhuǎn)后，翻轉(zhuǎn)角度定位不準(zhǔn)造成的不利影響。使這些誤差或偏差相對(duì)于所定中心的位置，能均勻而對(duì)稱地分配在裝夾板的定位基準(zhǔn)面上。只要夾具元件制造保證精度，則上述的△B和△Y幾乎可以忽略不計(jì)。

圖3　夾具鎖緊受力圖

4.2　夾緊力的分析

在加工過程中，要保證工件不離開定位的正確位置，夾具就必須有足夠的夾緊力來平衡切削力、慣性力、離心力及重力對(duì)工件的影響。本夾具的鎖緊裝置利用阿基米德螺線端面凸輪機(jī)構(gòu)組成，其特點(diǎn)是具有鎖緊力大；自鎖性能好；并可實(shí)現(xiàn)快速夾緊和快速松夾等。

由于阿基米德螺線凸輪其工作面與矩形螺紋工作面完全相同，所以可按螺紋鎖張力來計(jì)算受力圖 （如圖 3）所示。

由受力圖分析向下拉緊力可由：

由上式計(jì)算結(jié)果可知該結(jié)構(gòu)具有足夠的鎖緊力，完全可達(dá)到鎖緊要求。

4.4　夾具自鎖能力的校核

本夾具采用阿基米德螺線凸輪機(jī)構(gòu)其導(dǎo)程為20mm，凸輪圓柱直徑為80mm。因此螺線升角為：根據(jù)45#鋼的靜摩擦系數(shù)，其摩擦角，根據(jù)自鎖條件，則該機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的自鎖能力。

4.5　夾具的主要優(yōu)點(diǎn)

該夾具具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）定位精確，自定心效果好，且操作簡(jiǎn)單，方便裝卸。

（2）各個(gè)零配件形狀簡(jiǎn)單，自己工廠就可以加工，節(jié)省加工成本。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著改善，尺寸精度及形位公差得到了保證。

（4）減少了每件產(chǎn)品用百分表精校的麻煩，現(xiàn)只需對(duì)首件或前幾件產(chǎn)品校驗(yàn)，中途按比例抽檢即可，節(jié)省了校正時(shí)間，效率明顯提高，比較原來的加工方式效率提高接近5倍，合格率也大幅提高。

5　結(jié)語(yǔ)

本次針對(duì)切刀軸零件進(jìn)行分析，并對(duì)該零件設(shè)計(jì)出一套應(yīng)用夾具，簡(jiǎn)化了裝夾難度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和操作技術(shù)要求，從而提高了加工質(zhì)量和工作效率，而且裝夾定位原理比較簡(jiǎn)單適用于員工技術(shù)水平不等的班組加工生產(chǎn)，獲得廠家的肯定。最后說明，該夾具具有一定的通用性，通過調(diào)整右側(cè)頂針機(jī)構(gòu)的位置與頂針的大小，還可以裝夾其他型號(hào)的切刀軸，擴(kuò)大了這套夾具的使用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

［1］馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)(第 2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

［2］侯放.機(jī)床夾具[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2007.

［3］王健石.機(jī)床夾具和輔具速查手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.