高精度定位－聯(lián)動(dòng)式鍵槽加工夾具的設(shè)計(jì)與分析①

劉運(yùn)宏， 夏春艷

(1.佳木斯大學(xué)液壓件廠，黑龍江 佳木斯 154007;2.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

在軸上鍵槽的加工技術(shù)中，鍵槽的定位和夾緊是影響鍵槽質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1].目前，常用的定位方法是工件用平口虎鉗(兩垂直平面)、V形塊(兩窄V型塊)或分度頭(卡盤)進(jìn)行定位與裝夾.利用普通平口虎鉗裝夾時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是裝卸工件方便，但軸的直徑尺寸變化時(shí)會(huì)使軸的中心沿垂直于鉗口方向也發(fā)生變動(dòng)，這樣在加工一批工件時(shí)往往影響鍵槽的對(duì)稱性.因此，為提高鍵槽的加工精度和生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了一套可實(shí)現(xiàn)高精度定位的聯(lián)動(dòng)式專用夾具.

1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 定位方案設(shè)計(jì)

待加工的零件為典型的軸類零件，直徑為32mm，材料為45鋼，外形簡單，軸上帶有平鍵，其它各表面已加工完成，平鍵鍵槽有對(duì)稱度要求，且要求槽深尺寸誤差理論為零.

針對(duì)上述零件，其定位方案如下:

(1)以Φ 32mm外圓中心線作為定位基準(zhǔn)，再以軸的端面作為定位基準(zhǔn)，以V型塊為定位元件，限制五個(gè)自由度.該方案能夠保證鍵槽對(duì)稱度，但不能通過結(jié)構(gòu)滿足槽深尺寸誤差理論為零的要求.

(2)以Φ 32mm外圓側(cè)面及下母線和軸的端面作為定位基準(zhǔn)，限制五個(gè)自由度.該方案能由固定底和側(cè)板定位保證鍵槽深度尺寸誤差理論為零，但不能保證鍵槽的對(duì)稱度.

(3)以Φ 32mm外圓中心線和軸的端面作為定位基準(zhǔn)，以豎直方向浮動(dòng)的V型塊和支承板組合作為定位元件，限制五個(gè)自由度，如圖1所示.該方案由浮動(dòng)的V型塊保證對(duì)稱度，由固定底板保證鍵槽深度，結(jié)構(gòu)比較靈活，當(dāng)零件達(dá)到底板位置時(shí)，電子感應(yīng)元件可自動(dòng)鎖定V型塊位置，由此可保證槽深尺寸誤差為零.

對(duì)比可知，方案(3)為最佳方案.

1.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)上述方案，所設(shè)計(jì)的夾具由定位元件、夾緊裝置和夾具體三個(gè)部分構(gòu)成，如圖2所示.

夾緊裝置采用兩組壓板1壓緊，以斜楔3為動(dòng)力來源，利用杠桿原理，用手操作手柄2使斜楔塊豎直上升，斜楔向兩側(cè)外推壓板下方的螺紋車件4，壓板繞固定銷回轉(zhuǎn)，從而壓緊工件.夾具松開時(shí)，手柄2通過鉸鏈結(jié)構(gòu)將力傳遞到斜楔3，斜楔在導(dǎo)向桿的作用下豎直下降，與螺紋車件4解除自鎖，這時(shí)壓板1在彈簧的作用下復(fù)位，仍緊靠在斜楔上，同時(shí)壓板繞著旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，松開工件，并保持松開狀態(tài)，直到下一次裝夾工件.

圖1 定位方案

圖2 夾具結(jié)構(gòu)

夾具體與定位、夾緊元件之間用銷軸和螺紋車件等聯(lián)接，夾具體底板固定有定位鍵，與工作臺(tái)T型槽配合.

2 定位誤差分析及夾緊力計(jì)算

2.1 定位誤差分析

定位誤差主要取決于兩個(gè)方面:即基準(zhǔn)不重合誤差和基準(zhǔn)位移誤差[2].其中基準(zhǔn)不重合誤差是由定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)不重合而造成的誤差;而基準(zhǔn)位移誤差是由于工件和定位基準(zhǔn)面的制造公差和配合間隙使定位基準(zhǔn)和限位基準(zhǔn)不能重合而產(chǎn)生的誤差[3].

所設(shè)計(jì)夾具的定位機(jī)構(gòu)中，鍵槽對(duì)稱度方向的尺寸由浮動(dòng)V型塊定位保證，槽深方向的尺寸由固定底板定位保證，兩者均滿足定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)重合的原則，因此，不存在基準(zhǔn)不重合度誤差.

由于浮動(dòng)V型塊在豎直方向上不限制自由度，因此用彈簧實(shí)現(xiàn)其浮動(dòng)性，待工件放置好后，由電子限位元件將V型塊的位置固定下來，這樣可避免由于定位基準(zhǔn)和限位基準(zhǔn)不能重合而產(chǎn)生的基準(zhǔn)位移誤差，從而確保其定位穩(wěn)定性.

可見，該夾具通過組合斜面與支撐板的聯(lián)合定位實(shí)現(xiàn)了槽深尺寸和對(duì)稱度位置的定位誤差均為零.

2.2 夾緊力計(jì)算

夾緊是為了定位穩(wěn)定、使切削過程順利完成，設(shè)計(jì)時(shí)夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)靠近加工位置，夾緊力方向應(yīng)盡量與切削力方向保持，同時(shí)使夾緊力最小[4].本設(shè)計(jì)中采用斜楔、杠桿聯(lián)動(dòng)壓板夾緊機(jī)構(gòu)，計(jì)算最小夾緊力之前應(yīng)先計(jì)算切削力.

由于工件材料為45鋼，高速鋼刀具 σb=598MPa，齒數(shù)14的三面刃銑刀，查表[5]可知銑削力為:

式中:Cp為在用高速鋼銑刀銑削時(shí)的系數(shù)，查表取669;ap為銑削深度，計(jì)算得 ap=0.05d=1.4mm;fz為每齒進(jìn)給量，fz=0.2mm;d 為銑刀直徑Φ28mm;B為銑削寬度，取最大槽寬，10mm;z為同時(shí)工作的銑刀齒數(shù)，查表計(jì)算取4;Kp為修正系數(shù)，Kp=(σb'/736)0.8=(598/736)0.8=0.847.

則F=541.8N.計(jì)算銑削力時(shí)還應(yīng)考慮安全系數(shù)K:

式中:K0為基本安全系數(shù)，粗加工取大值1.5;K1為加工性質(zhì)系數(shù)，粗加工取1.2;K2為刀具鈍化系數(shù)，取1.2;K3為切削特點(diǎn)系數(shù)系數(shù)，連續(xù)切削取1.0.

則 K=2.16，小于2.5，取2.5，于是F'=KF=1354.5N.

壓板著力點(diǎn)到銷軸軸線距離為81mm，而螺紋車件頂端中心到銷軸軸線距離為66mm，則杠桿增力系數(shù)為ip1=0.8011.壓板與垂直方向成60°，故兩對(duì)壓板的增力系數(shù)為

斜楔增力機(jī)構(gòu)增力系數(shù):

其中φ1，φ2分別為斜楔與夾具體、工件的摩擦角，都取6°，α為斜楔升角，手動(dòng)夾緊時(shí)取7°.斜楔夾緊的自鎖條件是α≤φ1+φ2，可見本機(jī)構(gòu)滿足此條件，夾緊后可實(shí)現(xiàn)自鎖.

手柄杠桿阻力臂為50mm，手柄到回轉(zhuǎn)軸距離為100mm，增力系數(shù)ip3=2.

粗略計(jì)算手柄的作用力，可得到:

可見，在手柄上施加165N的力即可實(shí)現(xiàn)壓板的夾緊和放松.

經(jīng)模擬分析計(jì)算，在斜楔行程范圍內(nèi)，兩對(duì)壓板與底座平面內(nèi)接圓的尺寸最小是30mm，最大是42mm，故該夾具適用的軸類零件尺寸范圍是直徑30mm到42mm.

3 結(jié)論

自行設(shè)計(jì)的高精度定位－聯(lián)動(dòng)式夾具具有定位精度高、夾緊可靠、對(duì)中性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于大批量生產(chǎn)的軸上鍵槽加工.經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)使用方便、快速、成本低，易于保證定位精度和穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)的效率和工件的合格率，為確保軸上鍵槽的加工質(zhì)量提供了有效的方法和手段.

[1]周海寶.高精度鍵槽加工夾具[J].機(jī)械工程師，2000，9:20－21.

[2]顧立志，林碧，鄭清娟.采用組成法解析鍵槽尺寸位置定位誤差[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，29(2):167－171.

[3]閻文平，宋佳妮，周立波.小型軸鍵槽加工夾緊裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(12):267 －268.

[4]李名望著.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:33 －42.

[5]王光斗，王春福著.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000:62－73.