優(yōu)化夾具設(shè)計提高薄壁鋁筒加工質(zhì)量

李 寧

（河南許昌技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，河南 長葛 461500）

0 前言

薄壁零件由于壁薄、重量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，已日益廣泛地應(yīng)用在各工業(yè)部門。但薄壁零件的加工卻比較棘手，原因是薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在加工中存在不易裝夾、易振刀，尺寸不穩(wěn)定等現(xiàn)象，很難保證零件的加工質(zhì)量。如何提高薄壁零件的加工精度已成為業(yè)界越來越關(guān)心的話題。針對以上難題，本文通過優(yōu)化夾具設(shè)計，探索出一套行之有效的加工方法，使以上問題得以順利解決，并為類似零件的加工提供了參考。

1 案例零件圖紙分析

1.1 案例零件介紹

圖1為一款高壓電器上所用高壓電纜中間接頭。由于該接頭需要常年曝露在室外，生產(chǎn)中通常采用導(dǎo)電性好、耐氧化、質(zhì)量輕、易安裝的鋁合金材質(zhì)作為該接頭的主材料。

圖1 高壓電纜中間接頭

1.2 案例零件尺寸分析

該零件毛坯為φ90（內(nèi)徑φ80)×207mm的鋁合金管材（牌號為6061），技術(shù)要求未注尺寸公差按GB/T1804-m，主要加工部位表面粗糙度為1.6μm（看不見加工痕跡），其余為3.2μm（微見加工痕跡）。加工完成后零件總長205mm，平均厚度約為6mm，屬于典型的薄壁零件。一般認(rèn)為，在殼體件、套筒件、環(huán)形件、盤形件、平板件、軸類件中，當(dāng)零件壁厚與內(nèi)徑曲率半徑或輪廓尺寸之比小于1:20時，稱作薄壁零件。

1.3 案例零件加工難度分析

此零件毛坯材料為鋁合金6061。這一類材料的特點(diǎn)為塑性、韌性好，硬度低，剛性差，熱變形大。所以在加工過程因受裝夾外力、受熱以及振動等多種因素影響，加工過程中極易產(chǎn)生變形，設(shè)計時的表面粗糙度和精度要求也就很難達(dá)到。要想解決這些難題，首先要想辦法克服這些導(dǎo)致零件加工時產(chǎn)生變形的因素。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，薄壁零件主要的加工難題來源于裝夾過程中受力變形，所以，處理好薄壁零件的裝夾至關(guān)重要。

2 案例零件加工工藝路線確立

根據(jù)零件毛坯情況和加工圖紙要求，可以把該零件加工過程劃分為四道工序：

（1）車端面，毛坯原長207mm，實(shí)際長度205mm，有2mm加工余量，端面粗糙度要求為1.6μm，因此時毛坯單邊壁厚為5mm，具有一定的承載能力，所以可以直接用三爪卡盤夾持，車床車削完成，無需專門設(shè)計夾具。

（2）鏜孔，毛坯內(nèi)孔為φ80，加工后為，單邊切除1.25mm。因鋁筒較長，利用車床鏜孔很難克服鋁筒跳動問題，再加上鋁筒內(nèi)孔尺寸和表面粗糙度要求均較高，故這一步采用數(shù)控銑床來加工完成，此時鋁筒單邊壁厚減少為3.75mm，承載裝夾變形的能力大大降低，所以這一步需要設(shè)計專門的夾具，來保證變形量的減少。

（3）車外圓，鋁筒毛坯外圓直徑為φ90，加工后，兩端外圓尺寸達(dá)到×89，中間溝槽尺寸為φ86.5×6，溝槽兩端臺階尺寸為2-φ86.5×10.5，此時鋁筒單邊壁厚減少為3mm，最薄處減少到2mm，傳統(tǒng)裝夾方式已無法承載，故需設(shè)計專用夾具來提高變形抗力。

（4）銑外表面中心孔，鋁筒內(nèi)外表面已加工達(dá)到圖紙要求，壁厚為3mm，裝夾耐受變形抗力很弱，故需要設(shè)計專門夾具。

3 夾具設(shè)計

3.1 鏜削時夾具設(shè)計

鏜削時，鋁筒內(nèi)孔必須沒任何障礙，壁厚不斷減少，外圓面承載徑向力能力降低，故無法采用卡盤裝夾，必須借助軸向方向受力來限制鋁筒自由度。設(shè)計方案如圖2，鏜削夾具實(shí)物見圖3。

圖2 鏜削時鋁筒夾具示意圖

圖3 鏜削夾具實(shí)物圖

壓蓋頂面均布鉆削4個圓孔，利用自制扳手，旋緊壓蓋。

3.2 外圓車削時夾具設(shè)計

車削鋁筒外圓時，鋁筒主要受來自徑向的切削力，在裝夾鋁筒時首先考慮不能使鋁筒沿半徑方向再受力，可以把夾緊力轉(zhuǎn)移到軸線方向上來，然后在孔內(nèi)加裝心軸來抵抗徑向切削力。設(shè)計方案如圖4。

圖4 車削時的夾具示意圖

夾具主體（心軸）最左端，設(shè)計為一直徑為φ80、長度為40mm的臺階軸，材料采用密度較小硬度適中的鋁合金材質(zhì)，主要作用為夾持、支撐和定位。心軸左端軸肩直徑為φ88，要低于加工后鋁筒的外徑φ89，同時還要大于鋁筒的內(nèi)徑φ82.5，其主要作用是固定鋁筒防止左向竄動；心軸直徑為φ82.5，長度為200mm，主要作用是抵御車削時徑向切削力；右端臺階壓緊端蓋的小端尺寸為φ82.5，確保徑向滑動，確保壁厚均勻。大端尺寸為φ88，高于鋁筒內(nèi)孔尺寸低于鋁筒外圓尺寸。右端臺階壓緊端蓋中間鉆削一φ24的圓孔，配合壓緊螺母限制鋁筒在車削加工時軸向移動、轉(zhuǎn)動和徑向的滑動，最主要預(yù)防了加工時的變形，保證了加工時的尺寸精度和表面粗糙度。裝夾方式采用傳統(tǒng)的一夾一頂方式。

3.3 銑削中心孔時夾具設(shè)計

圖5 銑削鋁筒外表面中心孔時夾具示意圖

銑削中心孔為該案例零件的最后一道工序，此時零件內(nèi)外表面及兩端面均已加工到設(shè)計要求，所以此時裝夾更為慎重。設(shè)計方案如圖5，其實(shí)物圖見圖6。

圖6 銑削鋁筒外表面中心孔夾具實(shí)物圖

此時設(shè)計出的夾具，已把鋁筒裝夾受力轉(zhuǎn)移到鋁筒兩邊的堵頭上，堵頭心軸又為銑削中心孔時提供銑削抗力，抵抗內(nèi)外圓度變形，限位擋板的作用主要限制裝夾零件的位置，免除重復(fù)對刀操作，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

薄壁零件難加工，這是機(jī)械加工行業(yè)公認(rèn)的事實(shí)，但是只要我們認(rèn)真思考、細(xì)心總結(jié)，還是有很多的辦法來解決這一難題的。本案例通過優(yōu)化夾具設(shè)計，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，該方案切實(shí)可行、實(shí)用方便，在加工時能保證薄壁鋁筒的尺寸精度、形狀精度、位置精度和表面粗糙度都滿足圖紙設(shè)計要求。該方案可為類似零件和產(chǎn)品的機(jī)械加工提供一定的借鑒。

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