一種鏈板式零件的氣動(dòng)可調(diào)銑削夾具

晁瑞, 李志峰

（陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中723000）

0 引 言

一種鏈板式零件，主要應(yīng)用于航空運(yùn)輸機(jī)的裝配過程。在加工過程中，要求裝配軸承的通孔中心有極高的精度，從而達(dá)到保證裝配體安全可靠的要求，但由于通孔中心與定位點(diǎn)不在同一平面內(nèi)，導(dǎo)致通孔中心定位有較大誤差。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者、高校及組織機(jī)構(gòu)對(duì)異形零件中心定位加工方法展開研究。陳忠偉等[1]針對(duì)大批量、高精度齒輪磨削加工過程中齒輪心軸難以定心的問題，提出了一種便于操作的由楔塊與錐軸構(gòu)成斜楔機(jī)構(gòu)的具有高裝夾效率的夾具；易湘斌等[2]針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室加工小型軸類零件在車床上利用三爪自定心卡盤裝卡，重復(fù)開車、停車和松夾細(xì)小工件，輔助工時(shí)較長，勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，設(shè)計(jì)了一種軸向定位自動(dòng)定心不停車車床夾具；陳祖芳等[3]分析了汽車轉(zhuǎn)向柱管底座這類異形件的產(chǎn)品特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)定心夾緊車床夾具；胡志剛等[4]以交叉正交孔零件為例，提出了基于Top-Down方法的自動(dòng)定心鉆床夾具設(shè)計(jì)。

綜合上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究人員對(duì)軸類零件的定心夾緊進(jìn)行了大量的研究，但是對(duì)于異形鏈板式零件孔心定位的研究較少。由于此類零件屬大批量加工零件且孔心定位精度要求極高，現(xiàn)提出一種基于圓柱銷外切于零件端面的孔心定位方法，設(shè)計(jì)一種鏈板式零件氣動(dòng)可調(diào)銑削夾具，實(shí)現(xiàn)此類異形零件的自動(dòng)裝夾與孔心定位。

1 鏈板式零件的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)零件進(jìn)行了簡單的結(jié)構(gòu)分析。某公司加工一種鏈板式零件，大批量生產(chǎn)，材質(zhì)為鋁合金，該零件外形成J形，一端是圓弧，另一端是板形，板材厚度為σ，其中一端加工φ17 mm通孔，通孔中心距離左邊距為72.5±0.15 mm，距離下邊距為15±0.2 mm，通孔加工粗糙度為Ra0.8 μm，該零件毛坯為精密鑄造，各方向表面較為平滑，該零件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 鏈板式零件的機(jī)械加工工藝分析

此鏈板式零件的主要作用是連接機(jī)體與各零部件，在右側(cè)通孔內(nèi)裝配軸承，該軸承與軸相配合達(dá)到連接支承的作用。在這個(gè)過程中必須保證通孔具有較高的圓柱度和表面粗糙度要求。由于此鏈板式零件用于航空機(jī)體上，所以，對(duì)零件的質(zhì)量、剛度、耐磨性等具有嚴(yán)格要求，該公司選用的材料為鋁合金。

該零件是一種不便于利用常規(guī)方法加工，但零件的精度要求高、零件的硬度要求偏低的薄壁型零件。該夾具是針對(duì)工廠加工特殊零件在裝夾加工中存在的問題和原因，提出的解決方案和策略，旨在能幫助工廠在加工特殊零件時(shí)使用專用夾具提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本[6]。

傳統(tǒng)加工方法是通過劃線找圓心的方法對(duì)孔中心進(jìn)行定位，由于該零件的不規(guī)則性，孔中心與各邊不在同一平面內(nèi)，從而導(dǎo)致劃線法找出的圓心誤差較大，加工出的產(chǎn)品不合格率高。

3 夾具設(shè)計(jì)

3.1 夾具的結(jié)構(gòu)

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)出一種專用夾具，該夾具由1個(gè)壓板、螺栓、L形支撐架、氣動(dòng)壓緊裝置、三角形墊塊、2個(gè)圓柱銷、斜楔式墊鐵、夾具體組成，圖2為該夾具結(jié)構(gòu)圖。

3.2 夾具的定位與裝夾

零件側(cè)面與夾具體凸臺(tái)上平面構(gòu)成平面定位副，氣動(dòng)壓緊裝置[7]與零件一平面構(gòu)成平面定位副，限制2個(gè)自由度，通過螺栓、壓板與夾具體對(duì)零件進(jìn)行固定，限制2個(gè)自由度，兩點(diǎn)定位圓柱銷對(duì)零件圓弧方向一側(cè)面構(gòu)成兩點(diǎn)定位，限制2個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)6點(diǎn)定位。夾緊機(jī)構(gòu)采用螺栓、壓板和氣動(dòng)夾緊裝置；在夾具裝夾過程中輔助支承并不起定位作用，通常是用來提高零件的裝夾剛度和穩(wěn)定性；圓柱銷與零件外圓端面相切，通過中心距的位置關(guān)系及兩點(diǎn)定位圓心的工作原理對(duì)孔中心實(shí)施定位，然后再利用圓心與工件底面的位置距離關(guān)系對(duì)零件底面進(jìn)行定位；如若此類不同零件孔中心與工件各端面位置距離發(fā)生變化，可通過調(diào)節(jié)圓柱定位銷的位置來實(shí)現(xiàn)不同孔中心的定位。

3.3 夾具安裝與加工

由于對(duì)開螺母外形不規(guī)則，其加工工藝過程中均采用專用夾具[8]。在使用鏈板式零件的氣動(dòng)可調(diào)銑削夾具時(shí)，將夾具體通過四角的腰槽用螺栓固定在銑床工作臺(tái)上，待加工的工件置于工作臺(tái)上，利用兩個(gè)定位圓柱銷對(duì)工件的圓心進(jìn)行定位，通過夾具體上的三角形墊塊對(duì)工件的位置進(jìn)行輔助調(diào)整，位置確定后通過螺栓和壓板進(jìn)行固定，調(diào)整結(jié)束后利用氣動(dòng)壓緊裝置對(duì)工件進(jìn)行夾緊，將斜楔式墊鐵置于工件下方，通過旋轉(zhuǎn)螺桿對(duì)工件的位置進(jìn)行二次調(diào)整，并保證在進(jìn)行鉆孔時(shí)鉆頭可以通過斜楔式墊鐵的U形槽，直至滿足加工條件為止后將斜楔式墊鐵進(jìn)行鎖緊；加工完成后，將螺栓松動(dòng)取下壓板；然后將氣動(dòng)壓緊裝置收縮，取下工件，加工完成。圖3為該夾具裝夾三維圖。

4 銑削力和夾緊力計(jì)算

4.1 銑削力計(jì)算

在臥式銑床上采用高速鋼立銑刀加工端面通孔時(shí)，其中銑削深度ap為5 mm，根據(jù)文獻(xiàn) [9]～[10]，銑削力的計(jì)算公式為

式中：FC為圓周銑削力，N；ap為銑削深度，mm；af為每齒進(jìn)給量，mm/z；aw為銑削寬度，mm；KFC為銑削條件改變時(shí)銑削力修正系數(shù)；d0為銑刀直徑；n為銑刀齒數(shù)。

當(dāng)加工工件材料為鋁合金時(shí)，CF、xF、yF、uF、wF、qF各系數(shù)的值如表1所示[9]。

將表1各系數(shù)以及各參數(shù)代入式（1）得FC=566.25 N。

由于待加工工件的材料為鋁合金，所以在此基礎(chǔ)上還需乘以系數(shù)0.25才能得到準(zhǔn)確的銑削力。所以銑削力為：0.25FC=141.56 N。

表1 鋁合金材料各系數(shù)值

4.2 夾緊力的計(jì)算

夾具采用氣缸作為夾緊動(dòng)力源, 與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)反應(yīng)動(dòng)作迅速、傳動(dòng)回路簡單、操作簡便。根據(jù)動(dòng)力學(xué)平衡原理，氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖和受力分析[11]如圖4所示。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)平衡原理可列出平衡方程：30RA-90F=0。式中，F(xiàn)=141.56 N。

計(jì)算得出夾緊力RA=424.68 N，由此得出，選用輸出推力大于計(jì)算得出的夾緊力即可。由于在右側(cè)端面底部設(shè)有機(jī)床調(diào)整墊鐵，在防止工件變形的同時(shí)可提供一部分支持力，所以在選用氣缸時(shí)可相應(yīng)地降低對(duì)氣缸推力的要求。

5 線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[11-13]用于確定加載機(jī)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變或反力等。利用ANSYS Workbench對(duì)工件-夾具系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算固定載荷對(duì)工件結(jié)構(gòu)的影響，分析工件的變形和受力情況。靜力分析方程為

式中：K為剛度矩陣；X為位移矢量；F為靜力載荷。

當(dāng)夾具安裝在臥式銑床的工作臺(tái)上時(shí)，高速鋼立銑刀開始銑通孔，銑削深度為5.2 mm。銑削力為141.56 N，將建好的模型導(dǎo)入ANSYS分析模塊中，然后添加模型材料屬性，劃分網(wǎng)格，施加載荷與邊界條件，設(shè)置求解項(xiàng)，最后求解并顯示分析結(jié)果。下面是對(duì)同種夾具在有無斜楔式墊鐵的情況下，兩種不同裝夾方式對(duì)工件變形量影響程度大小的靜力學(xué)分析結(jié)果,如圖5所示。

由圖5（a）可知，此種結(jié)構(gòu)中待加工工件通孔端面所受最大應(yīng)力為13.938 MPa；由圖5（b）可知，此種結(jié)構(gòu)中待加工工件通孔端面所受最大應(yīng)力為2.106 MPa；由圖5（c）可知，此種結(jié)構(gòu)中待加工工件的最大變形量為3.331×10-2mm；由圖5（d）可知，此種結(jié)構(gòu)中待加工工件的最大變形量為2.6836×10-3mm。通過圖5（a）與圖5（b），圖5（c）與圖5（d）數(shù)據(jù)比較可得，無論是工件所受最大應(yīng)力和工件最大變形量，圖5（b）和圖5（d）內(nèi)所示工件-夾具系統(tǒng)都優(yōu)于圖5（a）和圖5（c）內(nèi)所示結(jié)構(gòu)。

在圖5（b）中，工件所受最大應(yīng)力為2.106 MPa，遠(yuǎn)小于工件材料的屈服強(qiáng)度50 MPa，而圖5（d）中，工件最大變形量為2.6836×10-3mm，所以工件在此種結(jié)構(gòu)中不易發(fā)生破壞，更易滿足工件的加工要求。

6 結(jié) 論

針對(duì)鏈板式零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)了一套銑床專用夾具，計(jì)算了工件實(shí)際所受載荷，并對(duì)工件-夾具系統(tǒng)進(jìn)行了靜力分析，通過對(duì)同種夾具不同裝夾方式的力學(xué)分析，得出工件最小變形量為2.6836×10-3mm，由此選擇最佳裝夾方案，從而全面提高了鏈板式零件的加工質(zhì)量和性能指標(biāo)。該夾具具有結(jié)構(gòu)簡單、定位精確、緊固安全可靠、易調(diào)節(jié)、易制作和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了專用夾具對(duì)于提高生產(chǎn)效率、提高加工質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)對(duì)其它同類專用夾具設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。[1] 陳忠偉,楊宇強(qiáng),張接信.一種齒輪磨削高效率自定心心軸夾具[J].機(jī)床與液壓,2017(10):36-38.