撥塊零件加工及夾具設(shè)計(jì)

趙錦偉

（南京工業(yè)大學(xué)教務(wù)處工程訓(xùn)練中心，江蘇南京 211800）

0 引言

在汽車變速箱體的換擋結(jié)構(gòu)中，撥塊安裝在撥叉基體上，通過變換不同的齒輪組合完成換擋變速。長(zhǎng)此以往，撥塊會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損和變形。由于撥叉、撥塊的分體式結(jié)構(gòu)，撥塊發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至失效時(shí)，可以直接換新，但撥叉仍然留用，省去了維修等諸多麻煩。設(shè)計(jì)一種方案，為撥塊類零件的加工提供有效參照，設(shè)計(jì)專用夾具配合完成加工。

1 毛坯的分析

該撥塊零件為學(xué)校與企業(yè)合作過程中學(xué)生實(shí)踐生產(chǎn)的產(chǎn)品，企業(yè)提供零件的材料為灰鑄鐵HT200。該材料最低抗拉強(qiáng)度為200 MPa，有鑄造性、可切削性、減振性及耐磨性較好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)撥塊特性及工作情況，選擇金屬模機(jī)械砂型鑄造毛坯（毛坯未鑄出內(nèi)孔）[1]。經(jīng)分析，留各表面的單邊加工余量2 mm。該零件屬于尺寸較小的輕型零件，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)，企業(yè)年生產(chǎn)量可達(dá)5000 件。

2 零件工藝安排

該撥塊加工項(xiàng)主要有平面、曲面、內(nèi)孔及內(nèi)螺紋，是一個(gè)形狀稍微復(fù)雜的零件，因此需用銑床、車床來進(jìn)行加工，或整個(gè)零件的加工都可以采用銑床來完成。因該零件為校企合作學(xué)生實(shí)踐產(chǎn)品，能夠涉及到較多工種的則為優(yōu)質(zhì)方案，故采用前者方法較為妥當(dāng)。撥塊零件如圖1 所示，Φ15 mm 的內(nèi)孔表面粗糙度為Ra1.6 μm，可選用7 級(jí)公差。該孔可以采用較細(xì)刀桿的內(nèi)孔刀來車削至尺寸，或通過鉆孔、擴(kuò)孔及鉸孔等工序完成，為節(jié)省時(shí)間，這里選用前者方法。其他各面粗糙度均為Ra3.2 μm，選擇自由公差[2]。零件外輪廓及前后平面須用銑床加工，工藝安排如下。

圖1 撥塊零件

2.1 工序I

對(duì)毛坯零件進(jìn)行熱處理，在500～550 ℃退火、消除應(yīng)力。

2.2 工序Ⅱ

選用XK5034 型數(shù)控立式升降臺(tái)銑床，主電機(jī)功率P=4 kW，將零件銑削至尺寸。

（1）粗銑：利用數(shù)控在線加工方法將各平面及曲面進(jìn)行粗銑去量，選用直徑8 mm、齒數(shù)4 的硬質(zhì)合金端銑刀。一次走刀完成粗加工，銑削深度ap=1.5 mm，機(jī)床轉(zhuǎn)速n=300 r/min，進(jìn)給速度vf=300 mm/min，留0.5 mm 的精加工余量。

（2）精銑：設(shè)置ap=0.5 mm，n=500 r/min，vf=150 mm/min，將撥塊精銑至尺寸，并保證表面粗糙度。

2.3 工序Ⅲ

內(nèi)孔刀鏜Φ15 mm 孔。選擇CA6140 型普通車床，主電機(jī)功率P=7.5 kW。

由專用夾具定位工件，夾緊、鉆孔后用硬質(zhì)合金內(nèi)孔刀將Φ15 mm 的孔車削至尺寸。為了避免在切削過程中刀桿下側(cè)與內(nèi)孔壁發(fā)生摩擦干涉，此過程需要統(tǒng)一采購符合條件要求的內(nèi)孔刀，方便直接裝夾刀具使用，省去磨削刀具的時(shí)間。同時(shí)需要控制切削深度ap≤1 mm，保證切削過程穩(wěn)定有序。

粗鏜：f=0.2 mm/r，n=500 r/min。

精鏜：f=0.1 mm/r，n=1000 r/min。

2.4 工序Ⅳ

零件夾于平口鉗上，用絲錐對(duì)M8 的內(nèi)螺紋攻絲。為保證零件的表面質(zhì)量，在零件的被夾持表面墊銅皮進(jìn)行保護(hù)。

2.5 工序V

零件去毛刺后終檢、入庫。

3 車床鉆孔夾具設(shè)計(jì)

3.1 夾具設(shè)計(jì)要求

（1）空間位置。嚴(yán)格來講，要求夾具安裝成功后，應(yīng)當(dāng)滿足在空間上對(duì)于各類刀具都可以直接靠近工件進(jìn)行切削；同時(shí)，需保證夾具體在使用時(shí)，與車床不發(fā)生任何的干涉。在本次設(shè)計(jì)中，因夾具與卡盤為過度盤連接，故干涉問題不存在。

（2）快速調(diào)整更換。設(shè)計(jì)的夾具多數(shù)為專用型夾具，為減少機(jī)床設(shè)備的等待閑置和更換等輔助時(shí)間，要求夾具可以快速重新調(diào)整結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更換零部件，操作應(yīng)方便、省力。

（3）定位及精度。為確定零件的準(zhǔn)確位置，夾具體中的零件應(yīng)被完全定位，同時(shí)夾具在機(jī)床上也應(yīng)具有完全定位的特性，以便為工件的定位和安裝做基礎(chǔ)。另一方面，普通機(jī)床所安裝的夾具，對(duì)其精度及剛度都有一定的要求，這樣可以減少零件在夾具中的定位誤差和夾緊誤差[3]。

3.2 選擇定位基準(zhǔn)

現(xiàn)針對(duì)工序Ⅲ中提到的車床專用夾具進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。裝夾撥塊選擇合適的定位基準(zhǔn)極為重要，其合理性可以確保較高的加工質(zhì)量，甚至縮短工藝過程。根據(jù)基準(zhǔn)選擇原則，在車床上用夾具來定位Φ15 mm 的待加工內(nèi)孔，應(yīng)選擇A 面和D 面作為內(nèi)孔在兩個(gè)方向上的定位基準(zhǔn)。

3.3 夾具設(shè)計(jì)方案

將三爪卡盤換成提前制作好的Φ230 mm 的圓形底盤（也稱基礎(chǔ)件），該盤外圍均勻分布4 個(gè)連接孔，以供和主軸端部過渡盤連接。先將定做好的長(zhǎng)方體定位板（170 mm×42 mm×15 mm）橫貼于基礎(chǔ)件上面，定位板零件如圖2 所示。用2 個(gè)圓柱銷將其固定，3個(gè)螺栓鎖緊，圓柱銷處采用過盈配合，使基礎(chǔ)件中心與定位板下邊緣的垂直距離為25 mm，此距離用來體現(xiàn)定位撥塊內(nèi)孔位置的一個(gè)參數(shù)。把撥塊的凸角部分放置到定位板卡槽中，留0.5 mm的放置間隙。將長(zhǎng)條形壓板（130 mm×30 mm×15 mm）均勻豎直地壓在撥塊上，用2 個(gè)M8 螺栓進(jìn)行固定鎖緊即可。對(duì)應(yīng)夾具設(shè)計(jì)的要求，此動(dòng)作較為迅速，且操作方便、安全、省力。因整個(gè)夾具裝置處于基礎(chǔ)件左上方位置，即重心有所偏移，考慮到裝置的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，在基礎(chǔ)件右下方空白處加裝一個(gè)尺寸、重量合適的平衡塊，來保證夾具體在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)平衡。

圖2 定位板零件

3.4 定位原理分析

假設(shè)在整套夾具設(shè)計(jì)中，以基礎(chǔ)件表面為底面、中心為原點(diǎn)，建立如圖3 所示的空間直角坐標(biāo)系。從六點(diǎn)定位原理的角度分析，因工件的位置需完全確定下來，所以本裝置采用完全定位的形式，基礎(chǔ)件支撐著撥塊，限制了零件沿Z 軸移動(dòng)、繞X 軸、Y 軸旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度；在前者限制的基礎(chǔ)上，定位板與撥塊的A 面接觸，限制了零件沿X 軸移動(dòng)、繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的2 個(gè)自由度；定位板的卡槽與撥塊的D 面接觸，限制了零件沿Y 軸的移動(dòng)。這樣撥塊的6個(gè)自由度被完全限制，位置也就確定了[4]。

圖3 夾具三維立體裝配

3.5 定位誤差分析

撥塊的A 面緊貼定位板，只需將定位板按位置要求精確地安裝在基礎(chǔ)件上，X 軸方向上的誤差則會(huì)趨于零。因?yàn)閵A具是長(zhǎng)期使用，為了方便更換零件，須在定位板卡槽部分留有一定的放置間隙，這樣在Y 軸方向上，便會(huì)產(chǎn)生一定量的定位誤差。但內(nèi)孔是以D 面為參考基準(zhǔn)，所以只需將撥塊D 面緊貼卡槽，Y 軸方向的誤差便會(huì)趨于零。夾具各零件各表面都需要進(jìn)行精加工，尤其是基礎(chǔ)件的上表面及定位板的各表面較為重要。因?yàn)楣ぜ系亩ㄎ换鶞?zhǔn)面是要與定位元件的工作表面貼合形成定位副，定位副的制造精度會(huì)直接影響到撥塊內(nèi)孔的定位精度。所以，可通過以上方式來減小夾具的定位誤差。

4 切削力及夾緊力計(jì)算

4.1 切削力計(jì)算

為方便切削，刀具選擇YT5 的硬質(zhì)合金內(nèi)孔刀[5]。經(jīng)查表：

其中，F(xiàn)c為圓周切削力；Fp為徑向切削力；Ff為軸向切削力；ap為切削深度，取ap=1 mm；Kc為主切削力修正系數(shù)；Kp為背向力修正系數(shù)；Kf為進(jìn)給力修正系數(shù)；f 為摩擦因數(shù)，取f=0.925。

通過查表計(jì)算?。篕c=1.2，Kp=1.41，Kf=1.88。則Fc=841 N，F(xiàn)p=480 N，F(xiàn)f=425 N。

4.2 夾緊力計(jì)算

考慮到安全系數(shù)，由夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)得：

其中，K1為基本安全系數(shù)，取K1=1.6；K2為加工屬性系數(shù)，取K2=1.1；K3為刀具鈍化系數(shù)，取K3=1.2；K4為繼續(xù)切削系數(shù)，取K4=1.1；K5 為夾緊所需穩(wěn)定系數(shù)，取K5=1.2。

所以，K=K1×K2×K3×K4×K5=2.7。

查夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算得，切削力最大值F=1058 N。則零件所需夾緊力WK=K×F=2.7×1058=2857 N。

通過查詢機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：壓板處M8 粗牙螺紋可提供21.2 kN[6]，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于零件所需夾緊力2857 N，所以該專用夾具可以滿足車削內(nèi)孔的夾緊力需求，證明該夾具可用。

5 總結(jié)

本文在介紹用機(jī)床加工撥塊的同時(shí)，通過三維建模對(duì)夾具進(jìn)行立體的構(gòu)建，直觀呈現(xiàn)出車床夾具結(jié)構(gòu)的可靠性，解決了零件定位裝夾等工藝問題，可以提高撥塊的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也能夠應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。該方案能夠有效減少加工時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和材料成本，為更多類似零件的生產(chǎn)提供工裝方案。也可以將此方案引用到職業(yè)教育教學(xué)，作為學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的一種任務(wù)考核，不僅可以探索實(shí)訓(xùn)課程的改革，更能提升教學(xué)質(zhì)量，體現(xiàn)創(chuàng)新型工程訓(xùn)練的成果。