車削壓縮試件端面夾具設(shè)計

劉悅，張立君

(東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧沈陽110004)

金屬壓縮試驗是測定金屬材料在軸向靜壓力作用下的力學(xué)性能的試驗，是材料機(jī)械性能試驗的基本方法之一。工科院校從事金屬材料相關(guān)研究的師生經(jīng)常要做該項試驗。做實驗之前需加工所測試材料的標(biāo)準(zhǔn)壓縮試件，試件的尺寸、精度直接影響到實驗的結(jié)果。

1 壓縮試件標(biāo)準(zhǔn)及要求

國標(biāo)GB7314-87 “金屬壓縮實驗方法”明確規(guī)定［1］，金屬材料的壓縮試樣多采用圓柱體［2］，為了最大限度減少試樣上下兩端面與試驗機(jī)支承墊之間產(chǎn)生的摩擦阻力，對試件兩端面的表面粗糙度、平行度及與軸線的垂直度有很高的精度要求。即試件上下兩端面的平行度應(yīng)不大于0.000 5 mm，端面與圓柱體側(cè)面的垂直度應(yīng)不大于0.001 mm，端面的表面粗糙度應(yīng)高于Ra0.8～1.6 μm。因此加工試樣時必須有合理的加工工藝，以保證兩端面平行，并與軸線垂直。圖1所示的Q235 和HT200 兩種材料的壓縮試件是測試材料力學(xué)性能常用的試件規(guī)格，某校相關(guān)專業(yè)的本科生每年在進(jìn)行該實驗時，需要的數(shù)量在3 000 件左右。

圖1 壓縮試件

2 常規(guī)加工方法及弊端

該類試件通常使用車削方法加工。對試件的長度尺寸和兩個端面的表面粗糙度精度要求較高。由于試件被切斷時的一側(cè)端面呈現(xiàn)凸凹不平狀［3］，必須安排調(diào)頭重新裝夾進(jìn)行精車端面，所以，常規(guī)的加工工藝是:使用外圓車刀車外圓→換端面車刀精車一側(cè)端面→換切斷刀留加工余量切斷→掉頭使用三爪卡盤裝夾，使用端面車刀精車另一端面。

該工藝在實際加工過程中，存在的突出問題是:

(1)精車端面時，由于要求刀尖與試件軸線嚴(yán)格等高，車刀安裝調(diào)試?yán)щy;

(2)在車至試件中心時，由于軸線中心的線速度為零，經(jīng)常導(dǎo)致刀尖磨損和崩刃，出現(xiàn)刀具的破損現(xiàn)象［4］，影響試件長度尺寸、端面的平面度和表面粗糙度;

(3)由于該試件直徑較小，需要較高的切削速度，使用鎢鈷鈦(YT)硬質(zhì)合金刀具車至中心時易崩刃，使用高速鋼材料刀具易磨損，上述因素導(dǎo)致頻繁地更換和刃磨刀具;

(4)使用三爪卡盤裝夾，每次只能裝夾一個試件，輔助裝夾時間長，勞動強(qiáng)度大，加工效率低。

3 夾具設(shè)計方案

針對上述問題，在綜合考慮加工數(shù)量和不同加工工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合銑削加工工藝特點，設(shè)計圖2所示夾具，用來加工上述壓縮試件。

圖2 壓縮試件車削端面夾具

該夾具的設(shè)計思路如下:每次能夠裝夾較多的試件，對刀尖高度安裝要求不高，刀具能夠較長保持使用壽命，不易出現(xiàn)刀具磨損和破損現(xiàn)象，試件端面的粗糙度精度控制穩(wěn)定。能夠在車床上使用三爪卡盤裝夾。將試件放入試件孔中，以3 個卡爪夾住3 個上夾具體與固定夾具體夾住試件，以車削端面的方式完成試件的端面加工。為了提高夾具的使用壽命，夾具毛坯材料使用45 鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，以提高夾具的強(qiáng)度和硬度，延長夾具的使用壽命。夾具體在車削加工成輪廓后，通過線切割數(shù)控機(jī)床切割成4 部分，分別由3 個上夾具體和1 個固定夾具體構(gòu)成，考慮夾具體主要在臥式車床上使用三爪卡盤裝夾，為了裝夾試件方便快捷，并保證裝夾精度，分別在每個上夾具體上加工一對定位銷孔以保證上夾具體與固定夾具體的位置精度;加工一對螺紋連接孔，避免松開夾具時，上夾具體脫落;加工一對壓縮彈簧孔，用壓縮彈簧撐開上夾具體以便把試件放入孔中。根據(jù)夾具的設(shè)計和使用要求，在數(shù)控車床上可以按以下加工工藝加工試件:使用外圓車刀車外圓并對右側(cè)端面倒角→換切斷刀長度留加工余量后先切槽、倒角再切斷。試件的兩側(cè)端面使用夾具裝夾后完成。

4 夾具的制作

將冷軋45 鋼毛坯車削外圓至尺寸，兩端留磨削余量0.5 mm→鉆通孔，銑削兩側(cè)試件裝夾孔→鉆鉸圓柱銷定位孔→數(shù)控線切割分離夾具體，切割厚度1 mm→安裝定位銷，分別配鉆螺紋連接孔，對上夾具體螺紋孔擴(kuò)孔、對固定夾具體的螺紋孔攻絲，配鉆彈簧孔→在試件安裝孔內(nèi)上裝上長度小于該孔的短軸，使用連接螺釘將上夾具體與固定夾具體連接，在平面磨床磨削夾具兩側(cè)平面，以保證夾具的平行度公差要求。

夾具制造時需要注意以下問題:

(1)銑削夾具內(nèi)孔時，首先要保證試件裝夾孔與夾具端面的垂直度精度;

(2)要嚴(yán)格控制試件裝夾孔的直徑和深度尺寸公差;

(3)線切割分離夾具體時，要保證內(nèi)孔對稱分開;

(4)鉆削圓柱銷定位孔、螺紋連接孔和彈簧孔時，一定要配鉆。

5 夾具的應(yīng)用

將夾具安裝在三爪卡盤上，分別以3 個卡爪稍微夾住分離的3 個上夾具體，以下夾具體上的支撐彈簧支撐上夾具體形成一定的空隙，以方便裝入留有長度余量的壓縮試件，再夾緊上夾具體，啟動機(jī)床，以車削端面的方式，車掉多余的余量;所有的試件一端車削完畢后，再按同樣的方式將試件掉頭分別裝入夾具體，車削另一端面。加工另外一種壓縮試件時，將夾具體掉頭裝夾，就能夠?qū)崿F(xiàn)車削。

5.1 夾具使用注意事項

(1)試件的直徑加工尺寸一致性要好，以避免直徑尺寸稍小的試件裝夾不牢固，車削時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)動和竄動的現(xiàn)象;

(2)試件的長度粗加工尺寸一致性好，以避免車端面時因吃刀長度不均勻，引起切削力改變，影響端面的平面度。由于加工數(shù)量多，因此，條件允許時，最好使用數(shù)控車床加工該試件，并及時檢查試件尺寸，通過修改刀補(bǔ)值，控制直徑和長度尺寸;

(3)車削試件外圓時，應(yīng)在兩側(cè)端面先進(jìn)行0.5×45°倒角，以避免車端面時出現(xiàn)毛刺;

(4)由于該加工方式形成類似銑削的斷續(xù)加工方式，因此車削端面的刀具材料應(yīng)該選擇硬度和強(qiáng)度均較好的材料，如YW(鎢鈦鉭鈮)硬質(zhì)合金或細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料;

(5)使用三爪卡盤裝夾時，卡盤的精度要好，要保證卡盤端面與機(jī)床主軸軸線的垂直精度要高，卡盤爪裝夾后不能有喇叭口現(xiàn)象，以避免降低卡盤爪對夾具的夾緊力。

5.2 應(yīng)用夾具的優(yōu)點

使用該夾具能夠加工兩種不同尺寸的壓縮試件，減少了夾具的制造成本;加工效率提高10 倍以上;在車削端面時，由于刀尖不需要車至軸線中心位置，對刀尖與主軸軸線等高的要求不高，對刀安裝簡單，避免了由端面車刀加工帶來的問題;刀具的切削速度變化不大，能夠顯著延長刀具使用壽命，明顯減少了更換和刃磨刀具的時間，試件端面的表面粗糙度精度控制穩(wěn)定;試件長度尺寸一致性好;一次能夠裝夾15 個試件，大大降低加工者的勞動強(qiáng)度，加工效率提高10 倍以上。

6 結(jié)束語

該夾具可以保證試件的精度要求，夾具重復(fù)使用性好，可以長期保證夾具使用精度?？梢约庸ゎ愃崎L度的其他短軸工件端面，適用性廣，還可以在銑床上使用三爪卡盤加工試件端面，在實際使用過程中取得了較好的效果。

［1］曾海燕.材料力學(xué)實驗［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2007:19.

［2］李伯奎，陳前亮，劉遠(yuǎn)偉.小型零件的雙端面車削專機(jī)設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(16):55，58.

［3］何建民.車工操作技術(shù)與竅門［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:147.

［4］陳錫渠，彭曉南.金屬切削原理與刀具［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2006:78-79.