炮彈引爆體上斜槽加工夾具的設(shè)計與制造

杜新宇，楊 芳

（1.南陽理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473004；2.南陽市紅宇工模具制造有限公司，河南 南陽 473000）

1 引言

引信體是炮彈引爆裝置中點火爆炸最重要的零件之一。該零件體積小，精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示。零件中一個寬3.4、深8.5mm、46°傾角的斜槽，最初安排在數(shù)控加工中心進行分步加工，每次都需要轉(zhuǎn)位 46°，轉(zhuǎn)位所需時間（4～7）s，再加上（6～9）s的退刀、換刀時間，輔助時間較長。為提高生產(chǎn)效率，擬將引信體上斜槽的加工分序進行，圖1中斜槽陰影部分的上半部是寬3.4mm、深4.6mm的直槽，先在加工中心銑削完成；斜槽陰影部分的加工安排在數(shù)控立式銑床上，用直徑φ3.4mm的立式銑刀在直槽的基礎(chǔ)上，對斜槽下部的陰影部分進行銑削，斜槽部位加工傾角46°、銑削寬度2.805mm、銑削深度5.614mm、厚度3.4mm。由于年產(chǎn)量為5萬件，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計數(shù)控立式銑床專用夾具。

圖1 引信體銑削工序簡圖Fig.1 Sketch of Fuze Body Milling Process

2 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 定位基準(zhǔn)的選擇

為滿足本工序加工要求，須限制5個自由度，刀具上下方向的微位移不影響加工精度，因此x→可以不限制。選擇基準(zhǔn)平面A、φ8中心孔內(nèi)表面和槽8.1兩側(cè)平行平面B、C為定位面，如圖1所示。工序基準(zhǔn)A面的定位元件為圓柱端面1，限制A→、（B、（C三個自由度；中心孔φ8的定位元件是短圓柱定位銷2，限制x→、z→二個自由度；兩平行平面B、C的定位元件是限位斜塊3，限制（y，z→二個自由度，可以看出z→被重復(fù)限制，屬于過定位，如圖2所示。

圖2 引信體零件的定位Fig.2 Location of Fuze Body Parts

工序基準(zhǔn)是中心孔φ8的軸線，同時也是定位基準(zhǔn)。φ8內(nèi)孔以短圓柱定位銷2定位后，在B、C兩平行平面的作用下限制了工件轉(zhuǎn)動，此種定位方式屬一面兩銷定位，兩平行平面相當(dāng)于菱形銷。另外，在孔φ4.8mm處設(shè)置直徑為φ4.5mm的削邊銷4，防止工件安裝時上、下面放反。

在實際生產(chǎn)中，過定位是允許的，但要在工藝上保證不發(fā)生干涉和變形，確保定位準(zhǔn)確。具體措施如下：（1）在加工零件中心孔時，將公差縮小為，且短圓柱定位銷與工件內(nèi)孔之間的配合為保證最小間隙0.03mm；（2）零件的φ8中心孔及槽的B、C兩面，均在加工中心完成，保證其垂直度誤差控制在0.015mm范圍內(nèi)；（3）在夾具加工時，控制短圓柱定位銷2的外圓與底面的垂直度誤差在0.01mm范圍內(nèi)。被加工零件的內(nèi)孔與端面的垂直度誤差（0.015mm），加上夾具的短圓柱定位銷與底面的垂直度誤差（0.01mm）之和是0.025mm，小于短圓柱定位銷與被加工零件內(nèi)孔之間的配合間隙0.03mm，零件安裝時，被加工零件φ8內(nèi)孔與夾具短圓柱定位銷之間不會產(chǎn)生擠壓、別勁等現(xiàn)象[1]，有效地保證了加工精度。

2.2 定位誤差的分析

加工零件上8.1H11的斜槽時，其46°夾角按未注公差等級10級選取[2]，即零件夾角的加工誤差由角度短邊長度決定，槽體傾斜角度為 46°±20′。

定位誤差由基準(zhǔn)不重合誤差ΔB和基準(zhǔn)位移誤差Δy組成，即ΔD=ΔB+ΔY。該工序的工序基準(zhǔn)是基準(zhǔn)面A和φ8孔中心軸線，夾具定位基準(zhǔn)是基準(zhǔn)面A和短圓柱定位銷的φ8孔中心軸線，工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)重合，所以基準(zhǔn)不重合誤差ΔB=0。

基準(zhǔn)位移誤差ΔY取決于定位基準(zhǔn)與限位基準(zhǔn)不重合時造成的加工尺寸的變動范圍。該夾具的定位基準(zhǔn)是φ8短圓柱定位銷的中心軸線，限位基準(zhǔn)是夾具凸臺寬8.1的兩平行平面的中心軸線，所以存在基準(zhǔn)位移誤差，即ΔY≠0。該誤差為角位移誤差，如圖3所示。由誤差分析簡圖知，定位基準(zhǔn)可以沿兩個方向轉(zhuǎn)動，其角位移的值為：

圖3 定位誤差分析簡圖Fig.3 Sketch of Location Error Analysis

該工序定位基準(zhǔn)的變動范圍δia由式（1）代入數(shù)值得δia=0.005rad，換算成角度 δia=0.2866°。

式中：δD—零件加工公差，δD=0.02mm；

δd—定位件加工公差，δd=0.01mm；

Xmin—零件與定位件之間最小間隙，Xmin=0.03mm；

R—斜槽中心與定位銷中心的距離，R=6mm。

基準(zhǔn)位移誤差是由于定位副的制造誤差而引起定位基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大位置變動范圍，此時它等于定位基準(zhǔn)的變動范圍在加工尺寸方向的投影。

式中：ΔY—基準(zhǔn)位移誤差；δia—該工序定位基準(zhǔn)的變動范圍；α—該工序限位基準(zhǔn)的變動方向與加工尺寸方向的夾角，α=46°。代入數(shù)值，得：ΔD=ΔY=0.1991°=11′57″

該定位誤差小于零件角度的加工誤差40′的三分之一即13′20″[3]，所以該定位方法滿足零件加工精度要求。

2.3 夾緊方式的確定

通過對銑削力和夾緊力的計算，夾緊力不大。另外，由于該工序銑削面積小，銑削后銑削部位懸空，為防止工件變形，宜采用較小的夾緊力，因此采用手動壓緊。夾緊裝置由支撐螺釘1、平壓板2、帶柄螺母3、和支撐螺桿6等組成，如圖4所示。工件5安裝在短圓柱定位銷4等定位元件上后，將杠桿式平壓板2壓在工件5的前端面上，手動鎖緊帶柄螺母3即實現(xiàn)了對工件的夾緊。

圖4 杠桿壓板手動夾緊Fig.4 A Lever Plate that is Clamped Manually

2.3 .1銑削力的計算

引信體材料為7A04超硬鋁，刀具選用φ3.4mm高速鋼立銑刀，銑削8.1H11斜槽中深度5.614mm，寬度2.805mm的部分時，銑削力 P 由式（3）確定[4]：

式中：CP—考慮工件材料及銑刀類型的系數(shù)，取CP=17；af—每齒進給量，af=0.00783mm/z；D—銑刀直徑，D=3.4 mm；aw—銑削寬度，aw=2.805 mm；z—銑刀齒數(shù)，z=4；ap—銑削深度。

其中：ap=VF/n·z （4）

式中：VF—進給速度，VF=72mm/min；

n—銑刀轉(zhuǎn)速 r/min，n=2300r/min。

代入式（4）得：ap=5.614mm；KP—工件材料力學(xué)性能修正系數(shù)。

式中：σb—抗拉強度，取σb=530MPa

代入式（5）得KP=4.7794

將上述數(shù)值代入式（2），切削力P=426.59N。

2.3.2 壓板夾緊力的確定

因為杠桿壓板抵消切削力，零件銑削方向為46°傾角時，銑削面積接近一半，因此切削力為：

杠桿壓板夾緊時在銑削部位所產(chǎn)生的作用力由式（6）確定[5]：

式中：Q—銑削時所需銑削力，Q=P1=296.33N；k2—系數(shù)；η—各種摩擦系數(shù)，取η=0.85。

支承螺釘?shù)綁壕o螺母的距離為L=30mm，零件壓緊點到壓緊螺母的距離 L1=38mm，L1/L=1.27，查表[5]得：k2=0.93。

將 Q、k2代入式（6）得：F=275.59N。

采用的杠桿壓板用帶柄螺母旋緊，作用于螺母上的力設(shè)為W，由杠桿定理得：W=671.68N。

2.3.3 手柄作用力的確定

人工扳動手柄的作用力直接作用在螺母上，選擇螺紋中經(jīng)D=8mm，螺距P=1.25mm，扳手長L=50mm時，若加在扳手上的力為50N時，則帶柄螺母產(chǎn)生的夾緊力Q=1300N，實際夾緊力需要為=671.68N時就能夾緊工件，所以手動作用在帶柄螺母上的力為21.53N，操作人員的勞動強度不大。

3 夾具主要部件的設(shè)計與制造

該夾具采用過定位形式，具體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。該夾具由夾具體、夾緊裝置、定位裝置、對刀塊、定位塊等部分組成。

3.1 夾具體

夾具體5材料采用45鋼，在高精度四軸加工中心上加工，保證各部位的相對位置精度，調(diào)質(zhì)熱處理，平面磨削夾具體基準(zhǔn)面。其外形尺寸為（260×60×80），總重 4.2kg。

夾具體加工尺寸穩(wěn)定，具有較好的綜合機械性能，在使用和存放過程中不易變形，能長期保持夾具的使用精度。

圖5 引信體銑削夾具整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall Structure of a Fuze Milling Fixture

3.2 對刀塊

為保證刀具與工件的準(zhǔn)確相對位置，設(shè)計了側(cè)裝對刀裝置4，使用1.5mm的平塞尺檢測刀具與工件的相對位置[6]，對刀塊結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 側(cè)裝對刀塊Fig.6 Tool Block for Side Mounting

3.3 定位裝置

為保證夾具在機床上的定位精度，采用了兩個定位塊將夾具體與機床工作臺T型槽連接[7]，保證了夾具在機床上能正確定位。定位塊采用工具鋼制作，淬火硬度HRC63。

大部分零件表面經(jīng)發(fā)蘭處理。

3.4 夾具的使用效果

該夾具正式投入生產(chǎn)使用后，對被加工零件進行抽樣檢驗和分析[8]，測得工藝能力指數(shù)超過1.33，完全符合大批量生產(chǎn)的加工工序能力要求。

加工中鐵屑自然掉落時，因夾具排屑空間大，不產(chǎn)生積屑現(xiàn)象。每次加工結(jié)束，使用壓縮空氣吹屑，毛刷清理，不影響零件換裝時的裝夾和定位。

4 結(jié)論

為提高生產(chǎn)效率，對引信體斜槽加工進行了工序分步，通過對引信體零件結(jié)構(gòu)工藝性的分析，設(shè)計了數(shù)控銑床上加工引信體零件斜槽的專用夾具，制造并投入生產(chǎn)應(yīng)用。（1）定位方式雖屬過定位，但通過提高零件與定位件的尺寸精度和位置精度后，工件和定位銷在夾緊力的作用下不產(chǎn)生擠壓變形，保證了工件的定位精度和加工精度。（2）相比原加工工藝及夾具，每個工件機械加工時間節(jié)約（10～16）s，大大提高了生產(chǎn)效率。（3）通過更換不同尺寸的定位元件，可加工相同類型、尺寸變化不大的引信體零件，提高了夾具的通用性。