圓形六孔墊片的夾具設(shè)計(jì)

蘇楚蓮

（廣東省粵東高級(jí)技工學(xué)校，廣東汕頭 515041）

0 前言

在各類產(chǎn)品的加工過(guò)程中，一些帶有不規(guī)則孔的零件用通用夾具無(wú)法裝夾，例如不均布圓形六孔墊片，因此必須根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)這些典型的零件設(shè)置夾具，以滿足生產(chǎn)需要。本文通過(guò)分析該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，設(shè)計(jì)了一套較合理的夾具，從而為保證該零件的加工精度提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工藝裝備，且具有一定的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)各種定位夾緊裝置的分析比較，選擇并組合了一套既能夠滿足加工要求又比較簡(jiǎn)潔的裝置，同時(shí)又能降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。

1 圓形六孔墊片零件的特點(diǎn)及加工過(guò)程中存在的問(wèn)題

圓形六孔墊片屬于數(shù)控機(jī)加工零件類型中的一種，在機(jī)械加工過(guò)程中，具有減少振動(dòng)和磨損的作用。如圖1 所示，該零件的外形要求是：圓盤(pán)直徑為70 mm，其上有五個(gè)直徑為20 mm 的小圓，分布不對(duì)稱，中間有一個(gè)同尺寸的小圓。由于該五個(gè)小圓與圓盤(pán)圓心的距離為25 mm，且其中四孔是分布在圓周四個(gè)象限點(diǎn)上，剩下一孔分布在角度為50°的圓周上。在數(shù)控車床加工過(guò)程中，要加工這一不均布的五個(gè)孔，難裝夾、難定位，而且對(duì)角角度難保證。鑒于上述原因，要在數(shù)控車床上加工其中五個(gè)孔是難以實(shí)現(xiàn)的。為了解決這一問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)在數(shù)控車床上的加工，就必須設(shè)計(jì)一種相應(yīng)易行的專用夾具，使在數(shù)控車床上加工該零件得以實(shí)現(xiàn)。

2 圓形六孔墊片零件的加工工藝分析

圖1 工件圖

如圖1 所示，圓形六孔墊片的直徑為70 mm，厚度為20 mm?，F(xiàn)有一半成品鑄鐵件，尺寸與零件尺寸相一致，表面精度也已達(dá)到要求，中間直徑為20 mm 的孔也已加工完成，如圖2 所示?，F(xiàn)要加工墊片上剩余的不均布的直徑為20 mm 的五個(gè)孔。根據(jù)上述外形及尺寸要求，如果采用普通的夾具裝夾，有下述難點(diǎn)難以克服：（1）由于加工孔位置的特殊性，難進(jìn)行裝夾，難定位；（2）在保證不均布孔的角度位置時(shí)的裝夾找正的輔助時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足機(jī)加工中高效率的需要。因此，需在車床原有裝夾裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)專用夾具，該夾具需滿足下述要求：（1）保證裝夾平穩(wěn)，安全，可靠，即夾緊力足夠大，易定位；（2）易保證零件的尺寸精度及形位精度；（3）拆卸、安裝、找正工件的輔助時(shí)間較短；（4）能自動(dòng)分度保證五個(gè)不均布孔的角度位置；（5）維修、更換易損壞部件方便。

圖2 毛坯圖

3 專用夾具設(shè)計(jì)[1]

在對(duì)該零件的五個(gè)特殊位置孔的加工工藝特點(diǎn)反復(fù)分析、研究的基礎(chǔ)上，夾具采用“兩面一孔”的原理來(lái)設(shè)計(jì)夾緊裝置，主要特點(diǎn)是上面附有自動(dòng)分度裝置，以確保角度要求。總體上，它有如下特點(diǎn)：（1）保證裝夾平穩(wěn)，安全，可靠，即夾緊力足夠大，易定位；（2）易保證零件的尺寸精度及形位精度；（3）拆卸、安裝、找正工件的輔助時(shí)間較短，工件夾緊時(shí)，在夾具裝置中的限位裝置的作用下，能保證位置的穩(wěn)定性；（4）能自動(dòng)分度保證五個(gè)位置孔的角度位置，自動(dòng)分度裝置能按一定規(guī)律依次改變工件加工位置，從而保證孔的角度要求；（5）維修、更換易損壞部件方便。通過(guò)上述巧妙的設(shè)計(jì)，提高了該夾具的精度，滿足了零件的加工精度要求。

3.1 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

該夾具的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，在于能利用彈簧對(duì)定銷，并根據(jù)分度頭中分度盤(pán)的定角度原理自動(dòng)進(jìn)行換位轉(zhuǎn)角度，以保證五個(gè)特殊位置孔的角度要求，且適應(yīng)單件或多件同時(shí)加工，運(yùn)用簡(jiǎn)便、易操作。

3.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

3.2.1 定位、夾緊裝置的設(shè)計(jì)分析

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，車床夾具在結(jié)構(gòu)上應(yīng)基本平衡，自鎖性能要可靠，且要保證定位基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。為了使定位基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，消除定位誤差的影響，使用螺旋定心夾緊機(jī)構(gòu)?！皟擅嬉豢住倍ㄎ谎b夾，即以下底面及工件上中間孔徑為定位基準(zhǔn)，使用定心夾緊機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是定位和夾緊是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，定位元件也是夾緊元件，即以下平面為定位基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 定位夾緊裝置圖

3.2.2 機(jī)床夾具的精度分析

本夾具中工件以“兩面一孔”定位，圓柱銷的軸與中間定位孔是緊密的間隙配合；如果定位孔中心距存在公差誤差，則夾具上的圓柱銷就不能與工件的定位孔準(zhǔn)確配合了，是裝不進(jìn)去的，因此對(duì)定位孔以及定位銷的形位公差，尺寸公差等，都要有嚴(yán)格的精度要求。定位孔與圓柱銷孔連心線必須是垂直的，否則就失去定位的意義了。

加工時(shí)必須保證底面和孔符合尺寸及位置精度要求，由于使用了定位中心銷，當(dāng)零件靠近定位中心銷時(shí)，可以自動(dòng)定出對(duì)稱斜面的中心，理論上定位誤差ΔY 等于零，但在實(shí)際生產(chǎn)中，總會(huì)有誤差，如夾緊元件的移動(dòng)誤差、夾具的制作誤差等，因此，在制作夾具過(guò)程中必須保證螺旋傳動(dòng)、夾具的磨損等產(chǎn)生的誤差之和在零件誤差允許的范圍內(nèi)。

3.2.3 對(duì)夾緊裝置的基本要求

機(jī)械加工過(guò)程中，要保證工件不離開(kāi)定位時(shí)占據(jù)的正確位置，就必須有足夠的夾緊力來(lái)平衡切削力、慣性力、離心力及重力對(duì)工件的影響。而且?jiàn)A緊機(jī)構(gòu)在傳遞力的過(guò)程中，能根據(jù)需要改變力的大小、方向和作用點(diǎn)。夾緊力的穩(wěn)定可減少夾緊誤差。針對(duì)本文中該零件的加工，由于工件本身加工部分的位置特殊性，不易定位、裝夾，所以在設(shè)計(jì)夾具中，對(duì)夾緊裝置應(yīng)力求使用性及工藝性要好，且便于制造和更換，操作起來(lái)要方便、省力、安全。

在本夾具中，夾緊裝置采用定心夾緊機(jī)構(gòu)，它是定位和夾緊同時(shí)實(shí)現(xiàn)的夾緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)可減少△dw。具有“定位—夾緊”元件的等速移動(dòng)或均勻彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)定心或?qū)χ校苡迷谝蠖ㄐ暮蛯?duì)中的場(chǎng)合。

3.2.4 各類力的分析

（1）離心力分析

因?yàn)楣ぜ馁|(zhì)量很輕，旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)速度也不大，基本上離心力可以忽略。

（2）夾緊力分析

夾緊力大小要適當(dāng)，要克服切削產(chǎn)生的切削力和工件轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，夾緊力過(guò)大會(huì)使工件變形，過(guò)小則在加工時(shí)工件會(huì)松動(dòng)，造成報(bào)廢甚至發(fā)生事故。

用手動(dòng)夾緊時(shí)，可憑人力來(lái)控制夾緊力的大小，一般不需要算出所需夾緊力的確切數(shù)值，只是必要時(shí)進(jìn)行概略的估算。進(jìn)行夾緊力計(jì)算時(shí)，通常將夾具和工件看作一剛性系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化計(jì)算。根據(jù)工件在切削力、夾緊力作用下處于靜力平衡，列出靜力平衡方程式，即可算出理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)，作為所需的實(shí)際夾緊力。實(shí)際夾緊力一般比理論計(jì)算值大2～3倍。夾緊力三要素的確定，是一個(gè)綜合性問(wèn)題。必須全面考慮工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝方法、定位元件的結(jié)構(gòu)和布置等多種因素，才能最后確定較為理想的夾緊機(jī)構(gòu)。

由于夾具體的重心不在主軸旋轉(zhuǎn)軸線上，因此，必須在夾具體的相對(duì)位置設(shè)置平衡塊。平衡塊的輕重是通過(guò)使花盤(pán)跟主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若能任意停留在任一位置就可以判斷該平衡塊的重量適合。并且平衡塊的重量及位置應(yīng)可調(diào)節(jié)。

根據(jù)以上分析，夾具總圖如圖4所示。

圖4 夾具總圖

3.2.5 特性

本夾具主要以車削為主，經(jīng)過(guò)試車的實(shí)踐證明，該旋轉(zhuǎn)式加工孔夾具保證了工件圖樣精度，效果顯著、穩(wěn)定，操作方便，所以此套“圓形六孔墊片的夾具設(shè)計(jì)”是可行的。

4 夾具裝配圖及技術(shù)分析

（1）夾具裝配圖

夾具裝配圖如圖5和圖6所示。

圖5 夾具裝配圖1

圖6 夾具裝配圖2

（2）技術(shù)分析

如圖7 所示，該帶分度花盤(pán)夾具主要靠花盤(pán)上的分度盤(pán)、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，夾緊定位銷及彈簧對(duì)定銷來(lái)控制，以實(shí)現(xiàn)角度的變換。也就是來(lái)源于1、5、3、9的配合控制。

圖7 夾具圖

圖7 中分度盤(pán)用三顆螺栓固定于花盤(pán)上，花盤(pán)上放置一轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，工件即放于轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上，并用中間的定位銷及轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上的彈簧對(duì)定銷作為定位及夾緊裝置，并且轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)跟工件可繞中間的定位銷做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)按照如圖所示位置加工完第一個(gè)孔后，將轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)側(cè)面的彈簧對(duì)定銷擰出，同時(shí)松工毛坯件上的定位銷，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)可以帶動(dòng)工件在分度盤(pán)上旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，此時(shí)工件也同樣轉(zhuǎn)過(guò)90°，此位置就是下一孔的加工位置。此時(shí)彈簧對(duì)定銷在彈力的作用下，對(duì)定銷上的螺母插入分度盤(pán)中的分度孔，擰緊彈簧銷，進(jìn)行第二個(gè)孔的加工，當(dāng)?shù)诙€(gè)孔加工完畢，以此操作步驟使工件分別旋轉(zhuǎn)90°、40°、50°，加工第三、第四、第五個(gè)孔。所完成的零件便是六孔墊片零件。

分度盤(pán)3 的作用是分度盤(pán)上面有與工件分布一致的孔，作為工件加工過(guò)程中，孔位置的定位，縮短孔位置找正的時(shí)間，提高效率。

轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)6 的主要作用是用于零件加工第一個(gè)孔后，帶動(dòng)工件作旋轉(zhuǎn)，但此轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)與分度盤(pán)及工件在同一中心線上，保證了零件的同軸度。

夾緊定位銷7 的主要作用是用于保證零件的同軸度，以及保證當(dāng)零件靠近斜面時(shí)不產(chǎn)生任何的基準(zhǔn)位移誤差，并用以角度定位的控制，定位中心銷的加工精度必須很高，必須符合技術(shù)公差要求。

彈簧對(duì)定銷9 的作用就是利用彈簧力來(lái)使在旋轉(zhuǎn)確定角度過(guò)程中，能插入分度盤(pán)中的分度孔，確保分度的準(zhǔn)確性。

平衡塊8 的主要作用是，保證夾具體在機(jī)床中的平衡狀態(tài)，保證夾具的精度。

為了保證夾具的準(zhǔn)確性，精度性，必須制訂夾具公差時(shí)，保證夾具的定位、制造和調(diào)整誤差的總和不超過(guò)零件公差的1/3。

（3）效果

從該夾具的總體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，采用了旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)后，實(shí)現(xiàn)了一旋轉(zhuǎn)加工的快速效率，減少了零件的重復(fù)裝夾以及對(duì)準(zhǔn)工件中心等輔助時(shí)間。如圖1 的零件所示，未用該夾具加工前，每件零件大約加工15 min 完成。使用該夾具后，每件零件加工時(shí)間是8 min，節(jié)約了7 min。按每天8小時(shí)工作時(shí)間計(jì)算，原工序每天約32 件，使用后，每班生產(chǎn)了約60件，比未使用前多生產(chǎn)了約28件，而且使用該夾具加工出來(lái)的零件尺寸符合圖紙要求，質(zhì)量穩(wěn)定，減少了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

5 操作步驟

（1）把卡盤(pán)裝夾部位與數(shù)控車床三爪自動(dòng)定心卡盤(pán)法蘭配合，使夾具體能轉(zhuǎn)不脫開(kāi)，夾具體處于完全未裝零件狀態(tài)下，而且轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)放置于分度盤(pán)上，如圖8所示。

（2）依次把壓板機(jī)構(gòu)，以及彈簧對(duì)定銷松開(kāi)，將工件放置于轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的避空部位接觸，工件的中心軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)同軸，即要加工的孔的中心軸線與花盤(pán)同軸，擰緊壓板上的螺栓，同時(shí)擰緊彈簧對(duì)定銷。開(kāi)車車削第一個(gè)孔至圖樣尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如圖9所示。

（3）當(dāng)車好第一個(gè)孔后，松開(kāi)壓板，再擰開(kāi)彈簧對(duì)定銷，這樣一來(lái)，零件處于松弛狀態(tài)下，此時(shí)彈簧對(duì)定銷上的螺母也脫離了分度孔，利用轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)繞中間定位銷做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此時(shí)工件跟隨著轉(zhuǎn)過(guò)90°，彈簧對(duì)定銷在彈簧力的作用下，螺母插入分度盤(pán)中相應(yīng)位置的分度孔。擰緊壓板上的螺栓，即可車削第二個(gè)孔至圖樣尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如圖10所示。

（4）當(dāng)?shù)诙€(gè)孔加工完畢后，松開(kāi)壓板上的螺栓，再擰開(kāi)彈簧對(duì)定銷，這樣一來(lái)，零件處于松弛狀態(tài)下，并脫離了分度孔，利用轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)繞中間定位銷再做逆時(shí)針?lè)謩e轉(zhuǎn)動(dòng)90°、40°及50°，此時(shí)工件也隨著轉(zhuǎn)過(guò)90°、40°及50°，夾緊彈簧銷在彈簧力的作用下，螺帽插入分度盤(pán)中相應(yīng)位置的分度孔。擰緊壓板上的螺栓，即可車削第三、四、五個(gè)孔至圖樣尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如圖11所示。

圖8 步驟一

圖9 步驟二

圖10 步驟三

圖11 步驟四

（5）完工后松開(kāi)松開(kāi)壓板上的螺栓及對(duì)定銷，拆卸工件，重新裝上第二個(gè)工件，循環(huán)加工。經(jīng)工件多次檢測(cè)，工件上孔的距離精度誤差均在公差范圍內(nèi)，達(dá)到圖樣要求的精度，如圖12所示。

圖12 步驟五

6 夾具技術(shù)特點(diǎn)[1]

該夾具的主要特點(diǎn)是以工件的底面及中間一孔定位，并用中間定位銷定位夾緊，用轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)及彈簧對(duì)定銷定位控制角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，工件一次性裝夾后，即可完成車削相應(yīng)孔的加工。轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的位置固定并與工件同軸，不存在因工件多次安裝造成的基準(zhǔn)位移誤差、轉(zhuǎn)角誤差及累計(jì)誤差的影響，為高精度車削不均布孔徑提供了可靠的保證（夾具能保證工件的加工精度，一次裝夾就能完成工件的加工要求）。

旋轉(zhuǎn)式車削孔徑夾具省時(shí)、省工，精度可靠，亦操作方便。如果材料、制作工藝到位，特別適合大批量生產(chǎn)，能提高加工的效率和降低加工成本。

加工花盤(pán)，中心距取工件中心距的1/2 精度，控制花盤(pán)與過(guò)渡盤(pán)法蘭止口定位的配合間隙取最佳公差，過(guò)渡盤(pán)與車床主軸按車床主軸錐度及尺寸連接。以減少安裝累計(jì)誤差，嚴(yán)格控制同軸度誤差這是保證夾具精度的要素之一。

7 使用夾具時(shí)的注意事項(xiàng)[2]

在車削過(guò)程，由于工件和夾具隨主軸旋轉(zhuǎn)，以及刀具對(duì)工件的切削力影響，因此，在操作的過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）在安裝零件之前，必須保證主夾具體的清潔，干凈，無(wú)鐵屑，無(wú)鐵渣，以及各夾具部分的靈活部件完好無(wú)損，確保夾具體的制造使用精度無(wú)磨損、刮傷；

（2）安裝零件時(shí)，必須保證零件在夾具中的夾緊穩(wěn)固，確保所有夾緊螺絲達(dá)到零件鎖緊程度下方可開(kāi)車加工，千萬(wàn)不要出現(xiàn)鎖緊不徹底，便馬上加工的現(xiàn)象，這樣出現(xiàn)的不僅是車刀，零件以及夾具損壞的加工事故，更嚴(yán)重的是傷及到人身安全的人身事故；

（3）在采用G00 快速定位指令及內(nèi)孔加工循環(huán)指令時(shí)，不提倡采用斜線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行進(jìn)刀或者退刀，避免刀具直接撞擊到零件以及夾具體上，所以，采用了直排刀架的進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)方式，即先進(jìn)入或者退出X 或Z 方向到毛坯以外的安全位置，再進(jìn)入或者退出X或Z方向。

8 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，以上所設(shè)計(jì)的夾具解決了在以上所列的加工問(wèn)題，比其它夾具具有明顯的合理性，而且它能適應(yīng)更大的加工范圍，對(duì)于其它的不規(guī)則位置的孔等都能達(dá)到加工目的，并能保證工件的技術(shù)指標(biāo)，提高了加工效率及質(zhì)量。

［1］肖繼德，陳寧平.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)：第2 版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］劉守勇.機(jī)械制造工藝與機(jī)床夾具［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.