齒形模具零件銑床夾具的設(shè)計(jì)與加工

■ 延鋒安道拓座椅機(jī)械部件有限公司 （上海 201315） 張 磊

齒形零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在數(shù)控車床與數(shù)控銑床加工中，裝夾較困難，零件裝夾不可靠易發(fā)生安全事故，而且零件加工后的同心度也無(wú)法保證，使得編程人員與操作人員無(wú)法正常加工棘手的齒形零件。本文通過(guò)理論分析齒形模具零件的結(jié)構(gòu)特征，制作專用夾具很好地解決了齒形零件外形與內(nèi)孔同心度的技術(shù)難點(diǎn)，并廣泛靈活地應(yīng)用于實(shí)際加工。

1. 齒形模具零件介紹

公司模具零件中的外齒沖頭零件如圖1所示，模具型號(hào)為RC020-317，材料是瑞典ASP系列粉末狀高速鋼，熱處理后硬度為63～65HRC。其齒形和齒頂圓已由前道工序線切割精加工完成，均按照－0－0.005mm的公差尺寸控制?，F(xiàn)需要數(shù)控加工中心來(lái)銑削正面φ（59.9±0.01）m m、φ（4 6.7±0.0 1）m m、φ（37.2±0.01）mm的外圓與內(nèi)孔，深度（1.8±0.01）mm、（2.4±0.01）mm的臺(tái)階，齒形C0.3的斜倒角和R0.2mm的圓弧倒角以及反面兩個(gè)φ8.005+0.005+0.015mm的銷孔。

圖1 齒形模具零件

2. 難點(diǎn)分析

零件外形一整圈都是齒形輪廓，裝夾較困難，在銑床上無(wú)法采用三爪自定心卡盤夾持?？ūP的三個(gè)卡爪靠端面螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)夾緊零件，端面螺紋之間有很大間隙，重復(fù)夾持零件無(wú)法保證零件始終處于同一中心軸線上，同心度無(wú)法達(dá)到0.005mm的精度，保證0.01mm的精度都較困難。卡爪的爪身接觸面圓弧較小，零件的部分齒頂圓夾持不到卡爪上，導(dǎo)致夾緊后不僅會(huì)夾傷零件齒尖，還會(huì)使零件裝夾不牢固，存在零件因銑削力較大而松動(dòng)飛出的安全風(fēng)險(xiǎn)。如采用兩個(gè)相同V型塊對(duì)稱夾緊的方法，雖然V型塊具有良好的對(duì)中性，不會(huì)影響工件的對(duì)稱度，但由于V型塊的兩個(gè)斜邊夾緊后接觸到的是零件圓周齒形的某一個(gè)或兩個(gè)齒頂圓，這樣夾緊后非常不牢固，銑削力大也會(huì)使零件松動(dòng)，同心度無(wú)法達(dá)到0.005mm的精度要求，每次更換新零件夾緊后都需要重新分中對(duì)刀，加工效率低。

3. 專用夾具的設(shè)計(jì)

齒形零件首先要解決裝夾后齒頂圓與被加工內(nèi)孔的同心度難題，其次是怎樣達(dá)到高效率加工的效果。基于這兩個(gè)研究方向，構(gòu)想出一個(gè)既能重復(fù)快速拆裝齒形零件、又能有效解決同心度難題的專用工裝夾具。

（1）夾具設(shè)計(jì) 如圖2所示，選用一塊長(zhǎng)11 2 m m、寬96mm、厚16mm的長(zhǎng)方形硬料，中間部分由線切割精割出與齒形零件相對(duì)應(yīng)的齒形鍵槽內(nèi)孔，不需要圓周全部割出齒形鍵槽，只需要均分90°對(duì)稱割出四邊幾個(gè)齒形，與齒形鍵槽周邊相連接的是φ70.381 2mm的內(nèi)孔,極限公差按照+0.008+0mm來(lái)控制。由于上道工序線切割割出來(lái)的齒形齒頂圓是按照φ70.381 2－0－0.005mm公差控制的，因此相配合的理論間隙在0.013mm之內(nèi)，手工很輕松就能拆裝零件。如圖2、圖3所示，上面的齒形只有四顆，原因是如果以零件上表面定向視圖在中心位置畫(huà)出垂直中心線，如圖4所示，上面對(duì)稱中心線就是左右各兩顆齒形，這四顆齒形與下面中心線對(duì)稱的五顆齒形是相對(duì)應(yīng)的，左右兩邊各對(duì)稱五顆齒形，這樣零件插入后就能穩(wěn)定貼合在夾具的齒形鍵槽里。

（2）夾具原理 零件安裝到夾具齒形鍵槽里的配合如圖5所示，齒形零件與齒形鍵槽貼合后放置在夾具固定體平面上，這樣就限制了齒形零件的六個(gè)自由度，達(dá)到完全定位的效果。雖然夾具四邊過(guò)多數(shù)量的齒形鍵槽導(dǎo)致零件出現(xiàn)了過(guò)定位現(xiàn)象，但是基于對(duì)夾具的剛性和插入零件后加工時(shí)的穩(wěn)定性的綜合考慮，最終這樣設(shè)計(jì)，無(wú)論是對(duì)銑削粗加工還是精加工，由于零件的齒輪與多個(gè)齒形鍵槽穩(wěn)定貼合，銑削力較大時(shí)不會(huì)對(duì)零件的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，從而大大增強(qiáng)了夾具的剛性。設(shè)計(jì)齒形鍵槽是為了銑削齒輪倒角C0.3、R0.2mm與加工反面兩個(gè)φ8.005mm的銷孔時(shí)不會(huì)發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象。探頭第一次分中夾具內(nèi)孔φ70.381 2mm并設(shè)置G54坐標(biāo)系原點(diǎn)作為夾具的對(duì)刀基準(zhǔn)，這時(shí)零件安裝鎖緊即可進(jìn)行銑削加工，加工好后松開(kāi)螺釘垂直拔出并裝入新零件，又可循環(huán)進(jìn)行第二次銑削加工，無(wú)需重復(fù)對(duì)刀操作，大大節(jié)省了后續(xù)的輔助時(shí)間，加工效率極高，可以達(dá)到批量生產(chǎn)的目的。

圖2 專用夾具設(shè)計(jì)

圖3 專用夾具實(shí)體

圖4 零件齒形對(duì)照

圖5 零件裝入夾具配合

4. 安裝、編程加工

在零件銑削加工前，還要考慮夾具如何安裝在機(jī)床工作臺(tái)上。由于夾具中間是齒形鍵槽通孔，如果直接把夾具夾緊在工作臺(tái)虎鉗上，夾具會(huì)由于虎鉗的夾緊力而產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致零件不能通過(guò)間隙配合安裝到夾具齒形鍵槽里，且加工好后齒形零件無(wú)法輕松拔出。因此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)夾具固定塊，如圖6所示，在固定塊上鉆出與夾具相對(duì)應(yīng)的四個(gè)螺釘孔與中心位置固定零件的M10螺釘孔，并做攻螺紋處理。圖7所示為零件與夾具安裝在虎鉗上的整體結(jié)構(gòu)。

圖6 夾具與固定塊裝配

圖7 整體結(jié)構(gòu)

（1）安裝說(shuō)明 正面安裝：①先把夾具固定塊夾緊在工作臺(tái)虎鉗上，使用杠桿式千分表校平固定塊的整個(gè)大平面，保證達(dá)到0.003mm的精度要求。②將夾具放置在固定塊的大平面上，使用四個(gè)螺釘輕微鎖緊夾具，在夾具左右兩個(gè)側(cè)邊或前后的直邊選取其中任意一個(gè)作為基準(zhǔn)邊（夾具的六個(gè)邊在磨床工序時(shí)保證了其平行度與垂直度），使用杠桿千分表校平，保證達(dá)到0.003mm的精度要求。③夾具校平后使用六角扳手均勻鎖緊四個(gè)螺釘，調(diào)出機(jī)床刀架里的探頭，四邊分中夾具內(nèi)孔φ70.381 2mm的圓，設(shè)置G54坐標(biāo)系X軸與Y軸原點(diǎn)作為夾具對(duì)刀基準(zhǔn)。④垂直向下把齒形零件穩(wěn)定地插入夾具齒形鍵槽孔里，與固定塊的大平面貼平，并使用M10螺釘鎖緊在零件φ11.0mm的螺釘過(guò)孔上。⑤探頭單獨(dú)做零件上表面Z軸的對(duì)刀操作，保存好G54坐標(biāo)系Z軸數(shù)值后，調(diào)出程序即可進(jìn)行第一件的銑削加工。⑥加工完成后，使用六角扳手松開(kāi)中間M10螺釘，垂直拔出零件，尺寸進(jìn)行首檢，合格后重復(fù)工序④，裝入新的齒形零件鎖緊后直接進(jìn)行銑削加工，無(wú)需對(duì)刀及別的輔助操作。

反面安裝：①加工反面時(shí)，固定塊與夾具保持不變不拆卸，零件裝入后工藝直邊與夾具側(cè)面基準(zhǔn)邊平行，使用杠桿式千分表檢測(cè)工藝直邊的平行度。②確認(rèn)無(wú)誤后，M10螺釘鎖緊在中間φ11.0mm的通孔里，然后進(jìn)行兩個(gè)φ8.005mm銷孔的銑削加工，無(wú)需對(duì)刀及別的輔助操作。

（2）編程加工 使用UG軟件編程齒形零件正面的所有輪廓臺(tái)階形狀，編程正面所有要求加工的外圓臺(tái)階與內(nèi)孔臺(tái)階如圖8a所示，編程加工齒形C0.3與R0.2mm的倒角如圖8b所示。由圖8可知，夾具與零件配合的三維圖和機(jī)床里實(shí)際安裝的夾具與零件方向位置完全一致，這樣保證了軟件編程與實(shí)際加工同步。加工反面兩個(gè)φ8.005mm的銷孔如圖9所示，采用兩個(gè)相同銑刀分粗、精加工到尺寸要求。

（3）實(shí)際加工 圖10所示為固定塊、夾具和齒形零件組裝后夾緊在機(jī)床工作臺(tái)虎鉗上的加工過(guò)程。

圖8 編程加工

圖9 編程加工反面兩個(gè)銷孔

5. 檢測(cè)數(shù)據(jù)

檢測(cè)設(shè)備為精密三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

圖10 機(jī)床上實(shí)際加工過(guò)程

數(shù)據(jù)分析：如圖11所示，通過(guò)精密三坐標(biāo)檢測(cè)之后，僅存在兩個(gè)超出公差的地方，線切割加工出來(lái)的齒形曲線輪廓有0.01mm左右的超差，φ70.381 2mm齒頂圓偏大了0.002 1mm，但這并不影響齒形零件在專用夾具上的拆卸安裝，從數(shù)據(jù)中可看出，零件外齒形與內(nèi)孔同心度非常好，均在0.005mm的公差范圍內(nèi)，銑削出來(lái)的各個(gè)尺寸精度也較好，表明這個(gè)夾具非常適合齒形零件的安裝與加工。

6. 結(jié)語(yǔ)

圖11 檢測(cè)后的數(shù)據(jù)

圓形齒形零件在車床和銑床上裝夾都較困難，首先需要考慮零件的齒形和被加工的內(nèi)孔如何保證同心度，其次需要考慮在夾具上優(yōu)化零件的加工方式。本文通過(guò)設(shè)計(jì)夾具內(nèi)孔四邊的齒形鍵槽，使齒形零件達(dá)到穩(wěn)定定位貼合的目的，不會(huì)發(fā)生倒角與銑削錯(cuò)位，夾具鍵槽內(nèi)孔與齒形零件微量間隙配合也達(dá)到了重復(fù)快速拆裝的加工目的，大大提高了齒形零件的加工效率與質(zhì)量。通過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)證明這一專用夾具具有很高的實(shí)用價(jià)值，在公司模具精加工領(lǐng)域里，可廣泛使用在該齒形零件的批量銑削加工上。