鋼珠換板夾具的設(shè)計(jì)

甘俊通， 曾德華

（河源技師學(xué)院，廣東河源517000）

0 引言

在機(jī)械產(chǎn)品加工中經(jīng)常會(huì)遇到通用夾具無(wú)法滿(mǎn)足零件批量加工，例如:較難裝夾，加工效率低，精度難以保證。根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行零件特點(diǎn)、使用要求的綜合分析。設(shè)計(jì)成型專(zhuān)用夾具進(jìn)行零件銑削，達(dá)到產(chǎn)品加工要求。文中介紹了銑削鋼珠同軸孔專(zhuān)用夾具的設(shè)計(jì)，保證鋼珠在銑削過(guò)程中同軸精度的同時(shí)進(jìn)行工藝分析及加工。1 鋼珠夾具的制造與實(shí)際應(yīng)用

1.1 圖樣分析

2017年5月我校接到某企業(yè)求助，該企業(yè)有一批鋼珠急需加工。根據(jù)零件圖樣進(jìn)行分析，該零件較難裝夾，加工效率低，精度難以保證，經(jīng)過(guò)分析我們決定設(shè)計(jì)專(zhuān)用同軸孔專(zhuān)用夾具，進(jìn)行零件加工并能根據(jù)工藝參數(shù)、加工路徑等的優(yōu)化及數(shù)控加工的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)零件的數(shù)控加工高效性，根據(jù)產(chǎn)品圖樣及加工相關(guān)技術(shù)要求生產(chǎn)合格產(chǎn)品。產(chǎn)品數(shù)量80 000件，工時(shí)為15 d，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品圖樣

鋼珠材料為45鋼，件數(shù)為80 000件。技術(shù)要求：1）兩邊沉孔同軸度為0.03 mm；2） 銳邊倒鈍。

1.2 鋼珠夾具設(shè)計(jì)及加工工藝分析

傳統(tǒng)的加工方式采用了普通車(chē)床裝夾車(chē)削一面沉孔，再用數(shù)控銑床銑削第二面沉孔，加工非常費(fèi)力，銑削加工效率極低。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，零件誤差較大，且不能滿(mǎn)足產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)要求。通過(guò)試件加工,我們總結(jié)此零件加工難度在于以下幾點(diǎn)：1）孔同軸度要求較高；2）加工過(guò)程中容易產(chǎn)生錯(cuò)誤；3）沉孔的同軸度變得不一致；4）鋼珠球心中心點(diǎn)較難找；5）產(chǎn)品毛刺不好處理；6）較難裝夾重復(fù)定位難度大。

我們仔細(xì)分析了“鋼珠”的相關(guān)技術(shù)要求及產(chǎn)品精度要求和產(chǎn)品使用要求，進(jìn)行綜合分析，研究設(shè)計(jì)“鋼珠換板夾具”進(jìn)行加工，達(dá)到零件加工要求[1]。

1.3 鋼珠夾具結(jié)構(gòu)組成

鋼珠定位夾具體的材料為D2材料，件數(shù)為1件，如圖2所示。

技術(shù)要求：1）采購(gòu)D2材料回來(lái)進(jìn)行CNC粗加工0.2~0.3 mm；2）內(nèi)牙部分檢查沒(méi)問(wèn)題再進(jìn)行熱處理，熱處理完成后再進(jìn)行二次加工；3）銳邊倒鈍；4）調(diào)質(zhì)硬度28~35 HRC；5）熱處理完成先把夾具研磨，為了保證同軸度和夾具垂直度；6）再次進(jìn)行二次CNC加工，加工鋼珠凹定位槽，一定要結(jié)合，鋼珠實(shí)際產(chǎn)品為準(zhǔn)，加工左右兩測(cè)定位銷(xiāo)孔結(jié)合實(shí)際進(jìn)行配合。

圖2 鋼珠定位夾具體

夾具體底座的材料為D2材料，件數(shù)為1件，如圖3所示。

技術(shù)要求：1）采購(gòu)D2材料回來(lái)進(jìn)行CNC粗加工0.2~0.3 mm；2）內(nèi)牙部分檢查合格后，進(jìn)行熱處理，熱處理完成后再次采用加工；3）調(diào)質(zhì)硬度28~35 HRC；4）熱處理完成先把夾具研磨,為了保證同軸度和夾具垂直度,再次采用CNC加工基準(zhǔn)角。

圖3 夾具體底座

夾具體支撐板的材料為D2材料，件數(shù)為2件，如圖4所示。

技術(shù)要求：1）采購(gòu)D2材料回來(lái)進(jìn)行CNC粗加工0.2~0.3 mm；2)內(nèi)牙檢查合格后，進(jìn)行熱處理，熱處理完成后進(jìn)行二次加工 ；3)銳邊倒鈍；4)調(diào)質(zhì)硬度28~35 HRC；5)熱處理完成先把夾具研磨，是為了保證同軸度和夾具垂直度。

圖4 夾具體支撐板

定位壓板的材料為D2材料，件數(shù)為14件，如圖5所示。

技術(shù)要求：1）采購(gòu)D2材料回來(lái)進(jìn)行CNC加工 ；2）銳邊倒鈍；3）真空調(diào)質(zhì)硬度28~35 HRC；4）熱處理完成后先把夾具研磨，是為了保證夾具的同軸度和垂直度。

圖5 定位壓板

圖6 夾具裝配圖

夾具裝配圖的材料為D2材料，如圖6所示。

2 鋼珠換板夾具的定位原理

將鋼珠放入圖1所示的凹槽，當(dāng)球體通過(guò)圖7壓板壓緊后，球體被定位限制了6個(gè)自由度，其注意事項(xiàng)，就是鋼珠在沒(méi)有壓緊情況下，存在繞球心旋轉(zhuǎn)自由度，所以在裝夾過(guò)程中用螺栓壓緊壓板。使鋼珠與凹槽及定位面貼合增大摩擦力，從而控制鋼珠沿球心旋轉(zhuǎn)的自由度。在后面銑削過(guò)程中才能穩(wěn)定最好銑削狀態(tài)，加工合格產(chǎn)品。

3 零件定位誤差和多件銑削零件加工精度需滿(mǎn)足的條件

圖7 裝配實(shí)體

從零件鋼珠圖1知道零件定位面的φ22球面，精度公差0.05 mm，專(zhuān)用夾具采納凹槽面作為定位基準(zhǔn)面，依據(jù)凹槽面定位誤差相關(guān)知識(shí)要求，鋼珠以球心面為定位基準(zhǔn)，零件在水平位置定位誤差盡可能為零，零件垂直面位置其定位誤差為：A=B÷2sinα/2；B=0.05÷2sin（90°/2）=0.025 mm。式中：A為定位誤差；B為工件外圓公差。

結(jié)論是鋼珠φ22外圓工藝尺寸公差0.05 mm對(duì)凹槽定位方法造成的定位誤差為0.025 mm，符合鋼珠對(duì)稱(chēng)位置0.03的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)鋼珠（圖1）分析看出，能夠保證球心同軸和對(duì)稱(chēng)位置精度0.05要求，只需要通過(guò)換板到相應(yīng)位置可以得到解決。專(zhuān)用夾具銑削多個(gè)產(chǎn)品，需要用什么方法要保證加工精度？那就是要讓28個(gè)凹槽的檢測(cè)中心等高。要求專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)與制作能保證相關(guān)精度要求。為了達(dá)到設(shè)計(jì)及加工要求，采取完成粗加工后精加工凹型面的方法，就是加工夾具體時(shí)，將28個(gè)凹型面預(yù)留0.2~0.3 mm的加工余量。當(dāng)關(guān)鍵尺寸和零件形狀都粗加工完后，再逐個(gè)地精加工凹型面。實(shí)際測(cè)量結(jié)果28個(gè)凹型面精度誤差不能低于0.025 mm[2]。

夾具體對(duì)鋼珠換板夾具設(shè)計(jì)制造的精度要求為：1）28個(gè)凹型面實(shí)際測(cè)量中心高距離；2）凹型面定位基準(zhǔn)與底面（R）基準(zhǔn)水平 。

4 銑刀選擇與銑削過(guò)程

要根據(jù)工件材質(zhì)選擇對(duì)應(yīng)銑刀，我們可以選用常用四刃鎢鋼銑刀，裝夾在刀柄上。實(shí)際銑削加工速度在30~50 m/min，主軸轉(zhuǎn)速為3000~4500 r/min，刀具每齒進(jìn)給0.10~0.15 mm，切削加工走刀500~800 mm/min。銑刀可以沿著行程銑削一周，完成28個(gè)凹槽銑削，加工合格產(chǎn)品。

5 鋼珠夾具換板加工方式

當(dāng)加工完一面時(shí)，松開(kāi)氣動(dòng)夾緊裝置，通過(guò)夾具兩邊手把人工換板，通過(guò)定位孔重復(fù)定位，氣動(dòng)夾緊。在換板加工需要檢查夾具壓板螺栓是否有松動(dòng)，確保加工萬(wàn)無(wú)一失，以上所有的夾緊元器件和加工定位方法，能夠使零件裝夾變得高效可靠。

6 鋼珠換板夾具的使用及效益分析

表1 “通用夾具”與“專(zhuān)業(yè)多件銑夾具”所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益分析表

調(diào)試專(zhuān)用夾具體底面定位的定位位置鍵，嵌入數(shù)控銑床工作臺(tái)面T型槽，使夾具體定位方式與機(jī)床保持相應(yīng)的位置，擰緊梯形螺栓完成夾具的安裝與調(diào)試。

通過(guò)專(zhuān)用夾具銑削加工“鋼珠”零件，既提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，降低人工成本。投資較小，回報(bào)率高，為企業(yè)創(chuàng)造了一定經(jīng)濟(jì)效益，如表1所示。

由此分析：采納鋼珠換板夾具銑削鋼珠比使用通用夾具加工效率將提高4.6倍，每年可以為企業(yè)創(chuàng)造大約169 243萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述零件夾具設(shè)計(jì)與工藝分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)加工，對(duì)傳統(tǒng)加工與專(zhuān)用夾具加工方式進(jìn)行了細(xì)致對(duì)比提高效率和加工質(zhì)量：1）夾具可以換板加工，節(jié)省人力，提高效率；2）可以有效地快速找到產(chǎn)品同軸度；3)解決產(chǎn)品去毛刺問(wèn)題；4)利用壓板轉(zhuǎn)角氣缸方便快速拆裝；5)加工產(chǎn)品數(shù)量增加。