彈簧夾頭在摩擦焊中的應用和改進*

蔣君榮 尹 洋 蘇 蓉 袁煥君 張 強

(①西華大學機械工程及自動化學院，四川成都 610039;②解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京 454003)

彈簧夾頭是機械加工工業(yè)中常用的一種夾緊定位工具。由于其具有自定心夾緊功能，即定位和夾緊是同一元件［1］，結構相對簡單，使用很方便，所以在機械加工中得到了廣泛的應用。

在機械加工中，許多彈簧夾頭都應用于對精加工表面的夾持，例如刀柄的夾持。由于精加工表面的尺寸和粗糙度要求都比較高，所以夾頭的尺寸可以標準化。但對于毛坯表面來說，由于其公差大，表面粗糙度低，其夾持情況和精加工表面的夾持情況有很大的差別。其設計就必須和實際情況相結合，根據(jù)具體的要求來設計夾具，否則使用效果就很難達到要求。

摩擦焊接是一種清潔高效的焊接方法［2］，整個焊接過程都是在被焊金屬熔點以下形成的，所以摩擦焊屬于固體焊接。它操作簡單，焊接質量高，并且可以實現(xiàn)不同金屬間的焊接，所以在汽車零部件、大型航空結構件等的焊接中得到廣泛的應用。

1 摩擦焊工作原理

摩擦焊是兩個待焊工件的焊接面相互接觸旋轉，發(fā)生摩擦生熱，結合面受熱發(fā)生塑性變形及流動，在一定壓力下，通過界面元素擴散和再結晶冶金反應而結合為整體的焊接方法。此處主要講慣性摩擦焊，慣性摩擦焊的工作簡圖如圖1所示，電動機通過主軸帶動飛輪，夾具和左邊的工件旋轉，達到一定轉速后，液壓缸推動移動夾具，使右端的工件壓緊左端工件，然后松開主軸，靠飛輪的慣性進行摩擦焊接，當摩擦力使飛輪停止并頂鍛一段時間后，焊接完成。

2 摩擦焊接中遇到的問題

如圖2所示，1是彈簧夾頭，2和3是某型號渦輪軸的軸和葉輪。夾頭固定在主軸上，通過內孔面4和軸面8夾緊軸并帶動軸旋轉。六方7用于阻止葉輪3轉動，通過面9將葉輪3和軸2壓在一起，讓焊接面5和6緊緊接觸摩擦，達到焊接的目的。

當機床和參數(shù)確定后，能夠保證產品的焊接質量，最大的困難就是夾頭不耐用，一個國產夾頭只能加工一千多件零件，而一個月產量最少就是3萬件，成本太高(一個夾頭1 850元左右)，質量也不好控制(夾頭打滑就會報廢零件)，改用某種型號進口夾頭后，一個夾頭能生產15 000件左右，但一個夾頭成本高于15 000元人民幣，成本并不能降低且購買也比較困難，改進夾頭設計就勢在必行。

3 原來設計的夾頭

最早設計的夾頭如圖2所示，夾持孔尺寸φ10+0.01mm，夾持面4和夾頭是一個整體，材料均是合金鋼，夾持面上開齒，進行表面熱處理，硬度達到55 HRC以上。這樣的夾頭極不耐用，夾持面4磨損很快，只能加工一千件左右，夾頭就報廢了。

第一次改進:假設夾持面4磨損快是夾頭失效的主要原因，將夾持面4改為鑲嵌硬質合金，由于硬質合金硬度高，耐磨［3］，這樣就可以解決夾持面4磨損快的問題，但實際效果也并不理想，改進后也只能加工不超過2 000件，夾頭就開始打滑。

4 原因分析

(1)夾套的結構［1－4］

夾套一般由3部分組成，卡爪，簧片，導向拉伸部分，如圖3所示?？ㄗτ糜趭A持工件，錐面要不斷摩擦，因此要求硬度高，耐磨，所以一般硬度在50～55 HRC。簧片主要使卡爪回彈，因此必須要有彈性和耐疲勞，一般將其回火至40～45 HRC。導向拉伸部分主要用于卡爪承受拉伸力并導向。

夾持面鑲有硬質合金，見圖4，硬質合金堅硬耐磨，可以保證夾持面不變形，使夾套具有良好的重復使用性。

(2)夾頭工作原理

夾頭是利用定位錐面和拉緊或壓緊裝置來實現(xiàn)夾緊，利用其本身的結構精度和自定心功能來實現(xiàn)定心。由于它具有“均分公差”的特點，所以在工件外徑變化比較大的情況下也能比較好地定心。

從理論上分析可知，卡瓣越多，其夾緊效果就會越好，因為卡簧和工件的接觸面積就會越大。但卡瓣越多，夾頭就會越軟，強度就會更低，有時甚至在松開工件時不能彈回原來的位置。

而摩擦焊所用的夾頭基本都是強力夾頭，一般均設計成三瓣，夾頭體較硬。而卡簧內孔和工件外圓又不可能具有完全相同的尺寸，假設工件的外圓比卡簧的內孔大(夾頭未開槽時的最終磨削內孔)，就會出現(xiàn)圖5的情況，即靠近拉緊端的尾部先夾緊(如圖5a所示)，單個卡簧片的情況如圖5b所示，邊緣兩端先接觸。反之就會出現(xiàn)圖6的情況，彈簧夾頭前端先接觸工件(如圖6a所示)，單個卡簧片的情況如圖6b所示，卡簧片中部先接觸工件。

這兩種情況的出現(xiàn)都會引起夾持接觸面減小，摩擦力不足，進而產生工件打滑的現(xiàn)象。而圖5和圖6不同點在于，圖5可以將因摩擦面的正壓力而增加夾持面的摩擦力，而出現(xiàn)圖6的情況就會使夾頭立即失效。

(3)實際情況分析

渦輪軸夾持部位的設計尺寸是φ10+0.2mm，現(xiàn)場抽檢200件，尺寸基本在φ10.06±0.02 mm范圍內，而夾頭內孔是磨削成標準尺寸φ10+0.01mm，內孔表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm。

單從工件和夾頭的尺寸看，設計似乎沒有問題，但此處是毛坯夾持，和夾持精加工表面有很大的區(qū)別。毛坯外表面有很大的粗糙度值，而表面粗糙度影響零件的接觸剛度［6］，接觸剛度是零件結合面在外力作用下，抵抗接觸變形的能力。所以根據(jù)粗糙度的定義(見圖7)推測，在壓力足夠大的情況下，理論上毛坯表面上是可以最大被壓下一個粗糙度值的。渦輪軸夾持面表面粗糙度值為Rz40～63 μm，圓柱體是雙邊，如果假設正確，那么當前的情況就可能是圖6，符合夾頭失效的條件。

5 設計策略

根據(jù)理論分析，在夾套其他尺寸不變的基礎上，將夾套內孔的設計尺寸改為φ9.96－0.01 mm(此處假設平均粗糙度為Rz50 μm)，稱1號設計。

為了驗證圖5的影響，再設計兩種夾頭，一種內孔為φ9.9+0.01 mm，稱為2號設計。另一種內孔為φ9.8+0.01 mm，稱之為3號設計。

6 實踐驗證

(1)1號設計

取2個新夾頭，標記1號和2號。1號夾頭在連續(xù)加工4 750件左右時出現(xiàn)打滑跡象，遂將夾頭換下，換上2號新夾頭使用，2號加工4 500件時，再換上1號夾頭使用，如此交換使用，每個夾頭使用超過15 000件后，才開始真正打滑，此處按15 000件算。

(2)2號設計

使用方法如1，但新夾頭第一次只使用2 000件時就出現(xiàn)打滑跡象，但第二次，第三次使用時加工零件的件數(shù)會逐漸增多(出現(xiàn)這個現(xiàn)象應該是夾持面接觸面積比1號設計的小，壓強更大，磨損更快，夾頭內孔逐漸變大的緣故)，到12 000件左右時，尾部硬質合金開始脫落，夾頭不能再用。

(3)3號設計

使用方法如1，新夾頭只使用不到1 000件零件時就出現(xiàn)打滑，累計使用不超過3 000件時，尾部硬質合金開始脫落，夾頭報廢。

7 改進后效果

綜合以上設計(包括硬質合金的微量磨損)，將夾頭內孔定為φ9.95±0.01 mm，連續(xù)使用3個月，情況很穩(wěn)定，下表是改進夾頭設計后的成本對比。

表1 改進前后夾頭成本對比

通過表1可以看出，改進后效果是比較顯著的，夾頭的耐用度大幅度提高，這樣既減少了換夾頭的次數(shù)，也減少了工件的報廢量。在降低夾頭制造難度的基礎上(制造公差增大一倍)，只做了小小的改動而取得了比較理想的效果，它充分證明了，在毛坯夾持中，接觸剛度是一個很重要的因素，這就決定了Rz是不可忽略的。另外也說明了設計必須和實際情況相結合，當實際情況變化時，設計也必須隨之而改變。

8 結語

本文通過實例對彈簧夾頭在摩擦焊中的使用情況進行了分析和驗證，闡明了在需要大力夾持毛坯表面的情況下，設計時就必須將工件的表面粗糙度Rz考慮進去，根據(jù)具體的工件尺寸進行夾頭設計。當然，夾頭設計是一個復雜的過程，一個很小的因素就會對夾頭的使用性能產生很大的影響，還需要具體問題具體分析，才能達到設計的產品具有高質量低成本的目的。

［1］李昌年.機床夾具設計與制造［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:106－110.

［2］摩擦焊 http://wenku.baidu.com/view/68057f3c376baf1ffc4fadcb.html［DB/OL］.

［3］硬質合金 http://baike.baidu.com/view/22604.htm［DB/OL］.

［4］郝靜華.彈性夾頭自動定心裝置與夾緊力的計算分析［J］.工具技術，2010(11):83－85.

［5］徐發(fā)仁.機床夾具設計［M］.重慶:重慶大學出版社，1991:64－65.

［6］表面粗糙度 http://www.yzw.cc/baike/citiao－392.html［DB/OL］.