一種軸類零件磨齒快換夾具設(shè)計與應(yīng)用

閆鵬輝 余功炎

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安710119)

目前國內(nèi)外針對軸類零件的磨齒夾具從夾緊原理上分為兩種。

第一類為靜壓膨脹夾具，通過驅(qū)動膨脹壁內(nèi)的液壓介質(zhì)，使膨脹壁產(chǎn)生變形夾緊工件。該結(jié)構(gòu)夾具制造技術(shù)難度高，基本被國外壟斷，價格高。該類夾具雖然夾緊精度高但漲緊間隙小，一般為夾緊直徑的1/1 000，通常齒輪軸類零件夾緊直徑在35～50 mm，漲緊間隙不超過0.05 mm，這就要求零件定位基準(zhǔn)的尺寸公差控制在0.025 mm以內(nèi)，否則零件會夾不緊或放不進(jìn)去，而且夾具換產(chǎn)時必須整體拆卸，費時費力。第二類為與錐面配合的開槽漲套結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)夾具漲緊間隙在0.15～0.25 mm，對零件定位基準(zhǔn)的尺寸公差要求相對寬松，但漲緊間隙仍有限，通用性不高，也不能快速換產(chǎn)。該類夾具采用死頂尖定心，無法引導(dǎo)零件上下料，在上下料機(jī)械手重復(fù)運動精度較低的自動化生產(chǎn)工況，常出現(xiàn)裝夾時位置偏移使零件與夾具定位孔錯位而不能正確裝夾問題，導(dǎo)致機(jī)床頻繁報警，嚴(yán)重影響加工效率。

1 新型磨齒快換夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 夾具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾具的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。連接法蘭1與機(jī)床的工作臺面，連接法蘭1的上側(cè)設(shè)置有活塞4，活塞4的上側(cè)連接有拉桿6，拉桿6的上側(cè)通過花鍵連接有漲套9，活塞4和拉桿6的內(nèi)部空間中設(shè)有用于使工件10定心的頂尖11，頂尖11的下端設(shè)有向外的第一環(huán)形突起，活塞4的中部設(shè)有向內(nèi)的第二環(huán)形突起，第一環(huán)形突起和第二環(huán)形突起相互配合以限制頂尖11的位置，頂尖11的底部設(shè)有盲孔，盲孔中設(shè)有頂尖彈簧14，頂尖彈簧14的底部設(shè)有端蓋19，且端蓋19與連接法蘭1固定。

活塞4和拉桿6的外側(cè)套設(shè)有底座2，且底座2與連接法蘭1固定，底座2與活塞4的之間設(shè)有若干能夠向下推動活塞4的復(fù)位彈簧15，復(fù)位彈簧15設(shè)置在底座2下部的彈簧盲孔中，底座2與活塞4的之間還設(shè)有用于防止活塞4轉(zhuǎn)動的圓柱銷22，圓柱銷22的一端固定在活塞4上，另一端與設(shè)置在底座2下部的銷孔配合連接，漲套9的外側(cè)套設(shè)有支撐座7，且支撐座7與底座2固定，漲套9上設(shè)有第一限位槽，支撐座7上穿插設(shè)有與第一限位槽配合的第一限位螺釘12，拉桿6上設(shè)有第二限位槽，底座2上穿插設(shè)有與第二限位槽配合的第二限位螺釘23，連接法蘭1上設(shè)有連接至活塞4和連接法蘭1之間間隙的法蘭油路24，法蘭油路24的端部設(shè)有液壓堵頭17；活塞4的上部與底座2之間設(shè)有第一O型圈5，拉桿6與底座2之間設(shè)有第二O型圈13，活塞4的中部與底座2之間設(shè)有第三O型圈16，活塞4的下部與連接法蘭1之間設(shè)有第四O型圈20，連接法蘭1與底座2之間設(shè)有第五O型圈；底座2與連接法蘭1通過若干第一內(nèi)六角圓柱頭螺釘3連接，支撐座7與底座2通過若干第二內(nèi)六角圓柱頭螺釘8連接，端蓋19與連接法蘭1通過若干第三內(nèi)六角圓柱頭螺釘18連接，連接法蘭1與機(jī)床通過若干第四內(nèi)六角圓柱頭螺釘21連接。

1.2 夾具的關(guān)鍵細(xì)節(jié)設(shè)計

(1)快換漲套結(jié)構(gòu)及系列化設(shè)計

如圖2所示，漲套在整體加工完成后切割成若干組塊，組塊之間通過彈性橡膠25粘結(jié)。如漲套9的裝配孔加工為花鍵，與拉桿6的花鍵進(jìn)行配合，實現(xiàn)快速連接。漲套外部開有防轉(zhuǎn)槽，在連接后通過緊定螺釘12鎖死，可防止?jié)q套因轉(zhuǎn)動脫開。

對不同的工件夾持直徑，其余尺寸可保持不變，只需改變漲套與工件配合孔徑φ的大小并形成直徑系列，方便漲套的加工制造，降低成本。

(2)夾具的排污及排氣設(shè)計

夾具的排污及排氣設(shè)計如圖3所示。底座2的上端面上有環(huán)形槽26，環(huán)形槽26底部均布若干泄油孔27，使從外面進(jìn)入漲套內(nèi)的油污和鐵屑能及時排出。底座2上開有第一排氣孔28，使拉桿6、底座2和活塞4之間密閉的空氣及時排出。底座2上還開有第二排氣孔29，使底座2和活塞4之間密閉的空氣及時排出。

1.3 磨齒快換夾具的工作原理

(1)夾具的夾緊動作

機(jī)床執(zhí)行夾緊程序命令時，機(jī)床和夾具接口的液壓油增壓，油通過夾具連接法蘭1上的法蘭油路24進(jìn)入活塞4與連接法蘭1形成的密閉腔，腔內(nèi)油壓升高推動活塞4向上運動，從而推動與之相連接的拉桿6，活塞4與拉桿6為螺紋連接，拉桿6繼而推動漲套9向上運動，漲套9錐面由于受支撐座7內(nèi)錐面的限制向內(nèi)收縮，從而夾緊工件10。

(2)夾具的松開動作

機(jī)床執(zhí)行松開程序命令時，機(jī)床和夾具接口的液壓油泄壓，復(fù)位彈簧15推動活塞4向下運動，活塞4與連接法蘭1密閉腔里的液壓油通過法蘭油路24流回機(jī)床油箱，活塞4拉動拉桿6向下運動，拉桿6拉動漲套9向下運動，漲套9錐面與支撐座7內(nèi)錐面脫離，由于漲套9各個組塊之間填充有彈性橡膠25，使?jié)q套9膨脹為自由尺寸狀態(tài)，漲套9內(nèi)孔直徑變大，從而松開工件10。

(3)中心頂尖的引導(dǎo)動作

夾具在未放入零件時，頂尖11被頂尖彈簧14向上推起，頂尖11上端尖部高出支撐座7的上端面，因此工件10在放入夾具孔中時，首先中心孔與頂尖11上端尖部接觸，使工件10定心，然后機(jī)床尾頂尖進(jìn)入工件10另一端中心孔并向下推動工件，頂尖彈簧14被壓縮，使工件10無偏心的進(jìn)入漲套9內(nèi)孔。當(dāng)夾具松開拆卸工件10時，機(jī)床上尾座向上移動，頂尖彈簧14將頂尖11向上推出，從而工件10推出夾具，頂尖11下端有第一環(huán)形突起，運動一定行程后與活塞4內(nèi)孔的第二環(huán)形突起貼合，使頂尖11停止向上移動。

(4)漲套的快速更換

對于不同直徑系列的零件裝夾，在更換漲套9時，先將第一限位螺釘12旋出，再松開第二內(nèi)六角圓柱頭螺釘8，取下支撐座7，輕輕旋轉(zhuǎn)漲套9一定角度，使?jié)q套9的內(nèi)孔花鍵中凸出部分從拉桿6的花鍵槽中脫離，從而取下漲套9。將要更換的漲套9花鍵凸出部分對準(zhǔn)拉桿6的花鍵槽并輕輕旋轉(zhuǎn)一定角度，使?jié)q套9卡到花鍵槽中，裝上支撐座7，將第一限位螺釘12旋入并微轉(zhuǎn)漲套9使第一限位螺釘12進(jìn)入漲套9的第一限位槽中，將第二內(nèi)六角圓柱頭螺釘8上緊，實現(xiàn)漲套9的快速更換。

2 新結(jié)構(gòu)夾具的創(chuàng)新點及優(yōu)勢

2.1 新結(jié)構(gòu)漲套提升漲緊間隙，通用性更高

本夾具的漲套采用彈性橡膠粘接方式設(shè)計，夾緊間隙最大達(dá)到1 mm，可實現(xiàn)定位直徑相差在1 mm以內(nèi)零件的通用。一般軸類零件的夾持部分留有0.3 mm左右的精加工余量，對于有熱處理前磨齒和熱處理后磨齒兩種工藝路線的零件，本夾具可實現(xiàn)兩種狀態(tài)零件使用一套夾具，達(dá)到零換產(chǎn)的效果。

另外，夾具漲緊間隙提升容許工件夾持部分的尺寸公差放大，可從0.025 mm放寬到0.1 mm，前序的工件合格率及刀具壽命大幅提升。

2.2 快換結(jié)構(gòu)節(jié)省更換時間，降低夾具成本

本夾具的漲套與拉桿連接設(shè)計為花鍵轉(zhuǎn)接,只需將漲套旋轉(zhuǎn)一定角度即可實現(xiàn)漲套與拉桿的連接和分離，從而實現(xiàn)快速更換。不同直徑系列零件只需更換漲套即可，不需要將整套夾具全部拆下，縮短了更換時間，降低了操作者的勞動強(qiáng)度。不同直徑系列零件只需投制不同直徑系列的漲套，而不用整套投制，夾具成本大幅降低。

2.3 頂尖引導(dǎo)工件正確裝入，更適合自動化生產(chǎn)

中心活動頂尖設(shè)計為大行程的彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)，零件定位外圓在進(jìn)入夾具前先由活動頂尖定心，不斷引導(dǎo)零件進(jìn)入定位孔，保證零件定位精確，解決舊結(jié)構(gòu)磨齒夾具無引導(dǎo)頂尖，裝入時易錯位問題。零件卸下時，在機(jī)床尾座頂尖的輔助下，活動頂尖可將工件推出夾具，便于自動上下料機(jī)械手抓取零件。

3 新結(jié)構(gòu)夾具的應(yīng)用效果

磨齒工序一般要求齒輪加工精度等級在GB 10095 6級以上，對夾具的裝夾精度要求相比其他夾具更高，一般要求夾持徑向和端面跳動在0.005 mm以內(nèi)。無論靜壓膨脹結(jié)構(gòu)還是開槽漲套結(jié)構(gòu)，目前滿足該精度的軸類磨齒夾具基本被國外壟斷，而且無法實現(xiàn)快換和通用。本夾具通過檢測校準(zhǔn)件的精度接近進(jìn)口水平，可實現(xiàn)替代，見表1。

表1 新舊磨齒夾具精度對比

一般進(jìn)口軸類磨齒夾具單套售價在10萬元以上，本文中的新結(jié)構(gòu)夾具已實現(xiàn)國產(chǎn)化制造，單套成本在1萬元以內(nèi)。通過在生產(chǎn)現(xiàn)場批量推廣應(yīng)用，共設(shè)計夾具底座2套、漲套8個，覆蓋了生產(chǎn)現(xiàn)場近20種軸類零件，節(jié)省夾具一次性投入超過100萬元。進(jìn)口夾具采購周期在3個月以上，本夾具投制周期只需1個月，大幅縮短了新零件試制開發(fā)周期?，F(xiàn)場應(yīng)用見圖4。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種適用于軸類零件的新結(jié)構(gòu)快換磨齒夾具，通過采用橡膠粘接漲套提升了漲緊間隙，提升夾具通用性；通過系列化的快換漲套設(shè)計方案，在保證裝夾精度的同時能實現(xiàn)快速換產(chǎn)；通過設(shè)計大行程的中心引導(dǎo)活頂尖，解決了自動化生產(chǎn)時工件裝夾容易錯位報警問題；該新結(jié)構(gòu)夾具已在大批量生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，取代進(jìn)口品牌降低制造成本；該夾具設(shè)計方案也可為滾、插齒等其他工序的裝夾提供新思路。