分段式漲簧定位夾緊裝置設(shè)計

楊建賀 李純章 陳小明 丁震 王敏輝 常海

摘? ?要： 為提高長筒形薄壁零件精車內(nèi)外形加工精度，設(shè)計一種分段式漲簧定位夾緊裝置。針對長筒形薄壁零件加工過程中易發(fā)生變形、壁厚不均勻、整體剛性弱等問題，在原有工件兩端支承基礎(chǔ)上，設(shè)計了內(nèi)孔小錐度漲體輔助支承，實現(xiàn)了夾緊裝置結(jié)構(gòu)，加工過程建立工件全段撐圓。裝置設(shè)計改進后，主體壁厚差可控制在0.03～0.05 mm，內(nèi)外圓同軸度達到φ0.06 mm以內(nèi)的加工要求。該裝置已獲發(fā)明專利授權(quán)，長筒形薄壁零件已通過該裝置實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 分段式漲簧;長筒形薄壁零件;精車內(nèi)外形加工;輔助支承;同軸度

中圖分類號：TH135? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-046-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.009

引言

為了使運輸工具增加有效載荷，降低動力源消耗，現(xiàn)代運輸工具的零件結(jié)構(gòu)常采用輕量化設(shè)計理念[1]。運輸工具要滿足使用要求，通過零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元仿真分析[2-3]等手段，可以使零件的材質(zhì)盡可能做到重量輕，設(shè)計結(jié)構(gòu)具備壁薄、細(xì)長、復(fù)雜異形等特征[4]。

江南工業(yè)集團有限公司（以下簡稱“我公司”）某運輸工具產(chǎn)品裝配有長筒形薄壁零件，其加工過程中易發(fā)生變形，整體剛性弱，精車加工面臨難題。

本文將發(fā)明專利《分段式漲簧夾緊裝置》[5]的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于長筒形薄壁零件精車內(nèi)外形加工。首先，對零件結(jié)構(gòu)及加工難點進行初步分析;其次，開展精車加工工藝設(shè)計，實施定位與夾緊設(shè)計;最后，結(jié)合分段式漲簧定位夾緊裝置的總體設(shè)計，闡述了長筒形薄壁零件的加工過程。

1? 零件結(jié)構(gòu)及加工難點分析

如圖1所示，長筒形薄壁零件的主要材質(zhì)是薄壁異形的高強度鋁合金，呈長筒形（φ172 mm×350 mm）。在零件薄壁內(nèi)右端有Md螺紋，在左端內(nèi)孔可見凸臺（直線長圓柱段），圓柱段主要本體最小壁厚僅1.85～2 mm，主體圓柱段外圓直徑φ172 mm，是典型的大直徑長筒形薄壁機加件。零件中部可見一平臺呈凸出凹形，在中段部位的外圓區(qū)域需銑削成形，4個軸向的長凸臺在外圓柱面徑向位置呈對稱分布，兩端外圓和內(nèi)孔只能車削加工。

由于其薄壁設(shè)計結(jié)構(gòu)，以及其均勻壁厚設(shè)計要求（壁厚差不大于0.06 mm），精車內(nèi)、外形是該零件加工較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。精車內(nèi)形后，零件整體剛性已較弱。在精車外形后，零件裝夾將很困難，采用固定芯軸定位夾緊方案或者內(nèi)撐軟三爪定位夾緊方案都無法保證加工要求。因此，本文裝置設(shè)計要解決精度問題，即精車右端口部內(nèi)形和整體外形時保證壁厚均勻，內(nèi)外圓同軸度達到φ0.06 mm以內(nèi)。

2? 精車加工工藝設(shè)計

精車內(nèi)外形加工尺寸要求如圖2所示。設(shè)計基準(zhǔn)T=內(nèi)孔d，Md為內(nèi)螺孔，內(nèi)外圓的同軸度為φ0.06 mm?；鶞?zhǔn)T、左右端面的垂直度分別為0.05 mm、0.03 mm。

以零件結(jié)構(gòu)特點為基礎(chǔ)，考慮刀具、夾具等各影響因素，對精車加工工藝進行設(shè)計。精車內(nèi)外形加工分兩道工序完成：內(nèi)形全段要兩邊分開加工，不能一次車成;為了確保兩邊加工同軸度的精度，需要把右邊的局部區(qū)域內(nèi)形以及整個外形一次性車成。

加工工藝路線為：首先精車主體內(nèi)部形狀，即先精加工左端長筒段內(nèi)孔的大部分，同時將端面車平，以保證垂直度要求;然后完成外形車削（包括內(nèi)腔端部內(nèi)形）。以內(nèi)孔d和長圓柱段端面為主要定位基準(zhǔn)，安排復(fù)合工步，在右端口部完成內(nèi)孔d、內(nèi)螺孔Md和短筒段端面加工，以保證總長度;然后將兩端外圓d（兩個外徑相同的外圓）車削完畢，以保證兩端內(nèi)孔的同軸度和垂直度要求。在J1FCNC—Ⅲ數(shù)控車床上安排完成精車內(nèi)外形兩道工序，保證量產(chǎn)尺寸的一致性。精車內(nèi)外形加工尺寸圖如圖3所示。

3? 定位與夾緊設(shè)計

如前文所述，本零件為長筒形薄壁零件，易變形。薄壁件加工并從夾具卸下后會發(fā)生變形，無法真實還原到原始加工狀態(tài)，同軸度精確測量就無法進行。對此，采取測壁厚差的方法來反映內(nèi)外圓同軸度。如果采用剛性芯軸定位，即使定位元件的制造精度再高，也無法消除夾具定位間隙，這必然會影響被加工零件的同軸度精度。工藝試驗表明，采用小間隙精密剛性圓柱芯軸定位的長筒形薄壁零件，外徑局部弧長為15～20 mm，壁厚差達0.13～0.18 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.06 mm的同軸度要求。

為此，考慮采用漲簧式定心夾緊結(jié)構(gòu)，采用漲簧定位內(nèi)孔，漲簧定位直徑為φ160 mm。目前，高精度、大直徑漲簧的設(shè)計和制造完全無資料可查，但現(xiàn)代制造技術(shù)和機床的發(fā)展，為其提供了條件。根據(jù)零件的薄壁和易變形的特性，設(shè)計了大直徑特殊漲簧結(jié)構(gòu)，選擇合適的漲簧制造工藝流程，制造出合格的分段式漲簧。

3.1? 定位原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)加工工藝基準(zhǔn)的選擇原則，夾具定位設(shè)計應(yīng)遵循“基準(zhǔn)重合”和“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的基本原則，以減少定位誤差對加工精度的影響。如圖2所示，零件軸向定位在左端大平面內(nèi)，限制了X軸移動和Y、Z軸旋轉(zhuǎn);長圓柱內(nèi)孔D的定位限制了Y、Z軸的移動和旋轉(zhuǎn)。

內(nèi)孔D由分段彈簧結(jié)構(gòu)夾緊。彈簧兩端切割有6個相互交錯的縱向槽，以保證彈簧的彈性。對于長筒形薄壁零件，漲簧外圓定位夾緊僅能做到兩端支承，工件中部剛性較弱，為此，在漲簧內(nèi)部創(chuàng)新設(shè)計了內(nèi)孔小錐度漲體輔助支承，支承部位為工件剛性較強的區(qū)域，即增加了一個輔助支承點。分段彈簧在整個截面上支承薄壁零件的內(nèi)孔，使零件的定位處于理想狀態(tài)。

為了解決長筒形薄壁零件剛性弱的問題，并確保零件滿足設(shè)計要求，漲簧的設(shè)計采用內(nèi)孔整個缸面接觸定位的方式，并在中部增加輔助支承，大大提高了零件的整體剛性。分段式漲簧結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

3.2? 夾緊方案

在精車內(nèi)外形加工工藝中，夾具采用分段式漲簧夾緊結(jié)構(gòu)，即兩端支承加上中部輔助支承，既能定心定位，又能夾緊工件。分段式漲簧夾緊結(jié)構(gòu)采用兩部分夾緊支承工件內(nèi)形：第一部分支承漲緊工件兩端;第二部分輔助支承漲緊工件中端內(nèi)形，使工件全段撐圓加工，減少變形對加工精度的影響。因此，分段式漲簧夾緊結(jié)構(gòu)起到控制所謂“工件平均公差”的作用，理論上定位誤差可達到零。由于制造精度和彈簧材料的影響，難以實現(xiàn)理論精度;但是通過漲簧簧片的作用，能均衡產(chǎn)生對工件的夾緊壓力，可切實減小零件的整體加工變形。

4? 精車內(nèi)外形加工夾具總體設(shè)計

4.1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

分段式漲簧定位夾緊裝置由定位元件、夾緊元件、主體安裝元件、導(dǎo)向元件等組成，如圖5所示。具體包括主軸（1）、大螺母（2）、固定錐體（3）、銷（4）、緊定螺釘（5）、活動錐體Ⅰ（6）、導(dǎo)向鍵（7）、擋圈（8）、分段式漲簧（9）、彈簧（10）、活動錐體Ⅱ（11）、導(dǎo)向螺釘（12）、小螺母（13）、專用手柄（14）等零件。本裝置是精車加工該長筒形薄壁零件內(nèi)外形的專用裝置。

4.2? 機理分析

夾具主軸（1）左端的外圓設(shè)計為錐軸，以配合所選機床主軸的內(nèi)錐孔接口，并用長螺釘擰緊主軸，以保證夾具的整體旋轉(zhuǎn)精度和安全性。通過擰緊緊定螺釘（5），固定錐體（3）固定在主軸（1）上，錐面可與主軸（1）磨平，以保證同軸度;分段漲簧（9）的左內(nèi)錐與固定錐體（3）的外錐面配合，防止彈簧（10）通過銷（4）旋轉(zhuǎn)新設(shè)計的活動錐體Ⅰ（6），防止其與夾具主軸（1）之間產(chǎn)生配合小間隙，并設(shè)計導(dǎo)向鍵（7）導(dǎo)向，為防止其轉(zhuǎn)動，外錐與分段漲簧（9）的中間內(nèi)錐配合;活動錐體Ⅱ（11）的內(nèi)孔與主軸（1）精確配合，導(dǎo)向螺釘（12）也被設(shè)計成防止旋轉(zhuǎn)。主軸（1）和活動錐體Ⅱ（11）只能軸向移動。活動錐體Ⅰ（6）上銑有四個長凸臺，凸臺外圓有螺紋，凸臺穿過固定錐體（3）端面上的四個腰形孔，與大螺母（2）聯(lián)接，如圖6所示。彈簧（10）起松開分段式漲簧（9）的作用，擋圈（8）可調(diào)節(jié)彈簧（10）壓力大小。

4.3? 漲簧設(shè)計及制造

本夾具的核心元件是大直徑分段式漲簧（9），其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖7所示。分段式漲簧的制造精度直接影響產(chǎn)品的加工精度。在夾具總圖中注明了漲簧外圓對主軸軸線基準(zhǔn)的綜合徑向跳動量為0.015 mm以內(nèi)的技術(shù)要求，這也決定了漲簧外圓磨削工序安排：先將漲簧的三個內(nèi)錐面加工好，外圓留0.3～0.5 mm余量，夾具整體合裝后，通過雙錐體使?jié)q簧預(yù)漲一定量（0.05～0.10 mm），再精確磨削漲簧定位外圓直徑，即可滿足夾具總圖對漲簧的裝配技術(shù)要求，并可消除各夾具元件制造精度的綜合誤差影響。漲簧精加工后，還必須作定性處理，去除各種殘余應(yīng)力，保證其長期使用和精度穩(wěn)定。

4.4? 工作過程

安裝工件時，工件套入分段式漲簧（9）定位外圓，其左端面必須貼緊固定錐體（3）的定位端面，通過擰緊小螺母（13），完成第一次定位夾緊;用手柄（14）插入擰緊大螺母（2），帶動活動錐體Ⅰ（6）軸向移動，工件的中間部分在分段漲簧（9）的作用下被拉緊，完成第二次輔助夾緊。適當(dāng)控制二次定位輔助夾緊力，可以加工出工件右端口的局部內(nèi)部形狀和整體形狀。卸下工件時，首先擰松大螺母（2），退出活動錐體Ⅰ（6），再擰松小螺母（13），使得活動錐體Ⅱ（11）由彈簧（10）向右移動，分段式漲簧（9）彈性回位，松開工件。

5? 結(jié)束語

本文設(shè)計的分段式漲簧定位夾緊裝置能有效解決長筒形薄壁零件的精車內(nèi)外形加工問題，保證其壁厚均勻。目前已實現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品的主體壁厚差可控制在0.03～0.05mm，滿足內(nèi)外圓同軸度達到φ0.06 mm以內(nèi)的要求。該裝置已獲發(fā)明專利授權(quán)（專利名稱：分段式漲簧夾緊裝置，專利號：CN201510510651.X），擴大了普通精密彈簧的應(yīng)用范圍，解決了長筒形薄壁零件夾緊彈簧中部剛度弱的問題。分段式漲簧定位夾緊裝置的設(shè)計構(gòu)思簡單實用可靠，亦可為類似工件的加工提供有益的參考。

參考文獻

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[5] 楊建賀， 楊昭， 張會茸， 等. 分段式漲簧夾緊裝置： 201510510651.X[P]. 2015-11-18.

作者簡介：

楊建賀（1958—），通信作者，男，漢族，湖南湘潭人，本科，高級工程師。研究方向：機械加工工藝與工裝設(shè)計。

E-mail： bxyyjhyj@126.com

（收稿日期：2020-07-10）