以軸心為基準(zhǔn)的膨脹式無(wú)間隙配合夾具結(jié)構(gòu)與研究

成 鋼，莫競(jìng)芳

(江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

在機(jī)械加工行業(yè)中，為提高零部件的加工效率和質(zhì)量，在其制造工藝過(guò)程中的部分工序按需提供工裝夾具，以保證毛坯的裝夾定位。夾具是以零部件設(shè)計(jì)或工藝轉(zhuǎn)換選定要素基準(zhǔn)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就會(huì)形成千差萬(wàn)別的定位與壓緊結(jié)構(gòu)方式。在這些定位與壓緊結(jié)構(gòu)方式中，既有共性方面的要素又有個(gè)性方面的要素，而以共性方面的要素為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)零部件生產(chǎn)制造的經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)品質(zhì)量等具有質(zhì)的提升作用。

以軸心為基準(zhǔn)的夾具設(shè)計(jì)，是以共性方面要素為基準(zhǔn)的一種。目前，國(guó)內(nèi)的企業(yè)基本上采取“剛性”的軸與孔配合。例如，磨齒和滾齒夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)零部件而言，一般以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)，工藝對(duì)定位孔精度是按被加工齒輪精度提高一個(gè)精度等級(jí)要求；對(duì)夾具而言，一般以配合外圓面為定位基準(zhǔn)，其精度公差是按零部件內(nèi)孔精度公差的1/3要求。這種精度的選取和結(jié)構(gòu)方式就限定了零部件制造精度的提升，因?yàn)闊o(wú)論怎樣提高配合精度都無(wú)法完全消除配合間隙，只要存在配合間隙就無(wú)法消除定位的不確定性。剛性圓柱定位面結(jié)構(gòu)夾具示意圖如圖1所示，采用這種結(jié)構(gòu)無(wú)法消除配合間隙ΔS，從而造成精度降低。針對(duì)上述問(wèn)題，研究采用均勻膨脹式夾具結(jié)構(gòu)，通過(guò)定位面均勻膨脹達(dá)到無(wú)間隙配合。

圖1 剛性圓柱定位面結(jié)構(gòu)夾具示意圖

1 膨脹式夾具結(jié)構(gòu)

膨脹式夾具的關(guān)鍵技術(shù)是零部件的內(nèi)孔和夾具圓柱定位面配合后，夾具圓柱定位面能繞夾具體軸心均勻同心膨脹，與定位內(nèi)孔貼緊實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙配合(擴(kuò)張變大的圓柱定位面依然與擴(kuò)張前圓柱定位面同軸)，達(dá)到消除配合間隙的目的。膨脹式結(jié)構(gòu)夾具如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)均勻同心膨脹與齒坯內(nèi)孔貼緊實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙配合。以此原理推廣運(yùn)用到磨齒夾具，分別設(shè)計(jì)出膨脹式彈簧套結(jié)構(gòu)磨齒夾具和膨脹式液壓結(jié)構(gòu)磨齒夾具，并推廣應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，取得了較好的效益和質(zhì)量，而且獲得了國(guó)家專利技術(shù)授權(quán)。

圖2 膨脹式結(jié)構(gòu)夾具示意圖

1.1 膨脹式液壓結(jié)構(gòu)磨齒夾具

膨脹式液壓結(jié)構(gòu)磨齒夾具圖如圖3所示。

圖3 膨脹式液壓結(jié)構(gòu)磨齒夾具

該夾具的工作原理是通過(guò)擰緊加壓螺栓，提高油腔內(nèi)的油壓，高壓油將壓力均勻地傳遞到密封油腔的每個(gè)部分(油腔內(nèi)的油同時(shí)還增加結(jié)構(gòu)阻尼，從而改善夾具的動(dòng)力學(xué)特性，減少振動(dòng)穩(wěn)定齒面粗糙度)，再傳給膨脹壁均勻定位，并夾緊加工齒輪內(nèi)孔(膨脹壁通過(guò)精確計(jì)算而設(shè)定，從而能在油壓達(dá)到給定值時(shí)，產(chǎn)生所需要的膨脹量)。在定位面設(shè)計(jì)環(huán)槽，其作用是裝夾外壁與被夾產(chǎn)品內(nèi)孔之間產(chǎn)生的巨大壓力，將油、油脂等潤(rùn)滑物的殘余部分?jǐn)D壓到環(huán)槽內(nèi)，保持裝夾定位面的清潔和干燥，從而保證扭矩的可靠傳遞。

該夾具特點(diǎn)如下：1)由于膨脹式基本消除了配合間隙，同時(shí)是均勻地向外膨脹，所以具有很高的重復(fù)定位精度；2)具有優(yōu)良的阻尼減振性能，可以抑制磨削加工中產(chǎn)生振動(dòng)，從而明顯改善被加工工件的表面粗糙度；3)產(chǎn)品裝卸非常方便，只要使用一把六角板手就可輕松地達(dá)到裝卸產(chǎn)品的目的，而不需要任何輔助裝置。但該夾具制造工藝難度大，維護(hù)成本較高，因而盡量不采用。

1.2 膨脹式彈簧套結(jié)構(gòu)磨齒夾具

膨脹式彈簧套結(jié)構(gòu)磨齒夾具圖如圖4所示。

圖4 膨脹式彈簧套結(jié)構(gòu)磨齒夾具

該夾具是磨齒所使用的精密夾緊裝置，其原理是通過(guò)擰緊壓緊螺母使膨脹體向下移動(dòng)，通過(guò)夾具體錐面的擠壓作用，即膨脹體外圓均勻擴(kuò)大使擠壓力均布?jí)壕o產(chǎn)品內(nèi)孔面。膨脹結(jié)構(gòu)基本消除了配合間隙，實(shí)現(xiàn)了較高的重復(fù)定位精度。膨脹體上設(shè)有8個(gè)互為反向的開(kāi)口槽，其作用是便于膨脹體均布變形漲開(kāi)，同時(shí)在巨大壓力下，將油、油脂等潤(rùn)滑物的殘余部分?jǐn)D壓到環(huán)槽內(nèi)，保持了裝夾定位面的清潔和干燥，從而保證扭矩的可靠傳遞(膨脹體錐角和開(kāi)口槽寬通過(guò)精確計(jì)算而設(shè)定，在壓力達(dá)到給定值時(shí)，產(chǎn)生所需要的膨脹量)。

該夾具特點(diǎn)如下：1)由于是膨脹式均勻脹開(kāi)，基本消除了配合間隙，同時(shí)保證定位基準(zhǔn)與軸心的同軸度，具有很高的重復(fù)定位精度；2)具有優(yōu)良的減振阻尼作用，可以抑制磨削加工中產(chǎn)生振動(dòng)，從而明顯改善被加工工件的表面粗糙度；3)產(chǎn)品裝卸非常方便，裝夾時(shí)間<30 s；4)精度高，徑向圓跳動(dòng)<3 μm；5)使用壽命高(>2萬(wàn)次)。

采用膨脹式夾具重復(fù)裝夾4次，檢測(cè)齒輪節(jié)圓跳動(dòng)可知，重復(fù)定位誤差<0.005 mm。

膨脹式磨齒夾具的技術(shù)創(chuàng)新和推廣運(yùn)用填補(bǔ)了齒輪精加工夾具結(jié)構(gòu)上的空白，提升了行業(yè)制齒能力和經(jīng)濟(jì)效益，以及制齒行業(yè)精加工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的推廣價(jià)值。

2 膨脹式夾具設(shè)計(jì)計(jì)算[1]

膨脹式磨齒夾具的初始配合間隙應(yīng)<0.2 mm，以減少定位面膨脹量過(guò)大而造成同步擴(kuò)張均勻性誤差，從而造成實(shí)際定位面軸心與夾具主體軸心的同軸度偏移。當(dāng)配合間隙為膨脹體最大膨脹量的10%時(shí)，可以直接通過(guò)膨脹體膨脹壓緊產(chǎn)品。

膨脹式彈簧套結(jié)構(gòu)受力分析圖如圖5所示。圖5中，a是膨脹體的錐角，a為7°～7.5°；S1、S2、S3分別是在受力狀態(tài)下3個(gè)方向的微變形量；F1是壓緊螺母向下壓緊力；F2是夾具體受擠壓時(shí)產(chǎn)生的擠壓力；F3是膨脹體對(duì)齒輪的圓周夾緊力。

圖5 膨脹體受力圖

由圖5可知，F(xiàn)2=F1sina，F(xiàn)3=F2cosa，則F1=2F3/sin2a。當(dāng)F1等于壓緊螺母軸向壓力Q時(shí)，產(chǎn)品為正常壓緊狀態(tài)。由機(jī)加工藝手冊(cè)可知，螺紋鎖緊力矩N=Qtan(β+α)d2/2。其中，β是螺紋螺旋升角；α是磨擦角；d2是螺紋中徑。最大切削力矩Nmax=9.1K材K硬K螺M1.75S1.75T0.65V0.81Z0.27。其中，M是法向模數(shù)；S是軸向進(jìn)給量；T是吃刀深度，T=t/2，t是進(jìn)刀深度；V是砂輪切削速度，一般為30 m/s；Z是同時(shí)加工齒數(shù)，一般為1～3；K材、K硬和K螺分別是工件材料、工件硬度和工件螺旋角的修正系數(shù)。一般磨削力矩為45～60 N·m。最大切削力Fmax=2Nmax/D。

設(shè)力矩扳手施力為F，則Fd≈Qtan(β+α)d2/2=Fmaxtan(β+α)d2/2= 2Nmax/D=18.2K材K硬K螺M1.75S1.75T0.65V0.81Z0.27/D。即扳手施力F=18.2K材K硬K螺M1.75S1.75T0.65V0.81Z0.27/(Dd)。現(xiàn)采用的力矩扳手一般長(zhǎng)為0.4 m，則力矩扳手施力F約為112.5～150 N。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口加工設(shè)備的加工精度都有大幅度提升，而精加工后的零部件實(shí)際使用精度很難有質(zhì)的提升，制約精度提升的瓶頸就是傳統(tǒng)工裝夾具的結(jié)構(gòu)形式(無(wú)法完全消除配合間隙)。通過(guò)膨脹式磨齒夾具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，從原理上解決了原夾具結(jié)構(gòu)配合間隙的弊病。眾所周知，機(jī)械零部件的制造精度每提升一個(gè)精度，等級(jí)制造成本基本翻一倍。膨脹式磨齒夾具的使用可輕松地使精加工后的齒輪實(shí)際使用精度提升幾個(gè)精度等級(jí)，而且使用成本沒(méi)有明顯增加，使得精加工后的齒輪具備較高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和較好的經(jīng)濟(jì)效益。