LED燈罩殼體專用夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

溫滬斌

（惠州市技師學(xué)院，廣東 惠州 516003）

0 引 言

零件為典型的LED燈罩殼體，如圖1所示，材質(zhì)為鋁合金，機(jī)械加工前的毛坯件由壓鑄成型，毛坯件如圖2所示，零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于典型的薄壁鋁合金件，材質(zhì)較軟。零件直接在數(shù)控車床上用三爪卡盤裝夾易變形，實(shí)際加工中受切削力及切削熱的影響產(chǎn)生振動(dòng)和熱變形，影響零件的最終加工尺寸精度。為提高生產(chǎn)效率，改進(jìn)加工工藝，設(shè)計(jì)了一套專用夾具，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，解決了零件裝夾的難題，提高了工作效率，滿足了實(shí)際加工的需求。

1 零件工藝分析

1.1 零件分析

圖1 LED燈罩殼體

LED 燈罩殼體最終成品如圖3 所示，形狀簡(jiǎn)單，尺寸精度要求不高，一般公差采用IT12-14，但厚度約為2 mm，屬于薄壁零件，外觀面A 面粗糙度值為Ra0.8 μm，精加工前的毛坯件由壓鑄成型，待加工零件的表面加工余量約0.3 mm，鑄件表面較粗糙，表面有毛刺和氧化。

圖2 毛坯件（機(jī)械加工前）

圖3 燈罩殼體成品（機(jī)械加工后）

（1）φ71 mm 燈罩外圓、φ100 mm 凸緣，φ66 mm燈泡卡位，φ68 mm內(nèi)孔，凸緣兩側(cè)A、B端面，外圓端面C和0.4 mm×2 mm 彈簧卡扣槽等均由數(shù)控車床加工完成。由于生產(chǎn)批量大，結(jié)合鋁型材零件加工特點(diǎn)，選用YG鎢鈷類刀具加工。

（2）外圓有2 處T 形槽由沖壓成形，凸緣外端面A（除去兩處倒角）需要噴砂氧化處理，A 面有2處倒角2.2 mm×0.15 mm 和4 mm×0.3 mm 需高光處理，此部分選用氧化鋁陶瓷高光刀具加工。

1.2 零件加工順序

零件加工順序：車削外圓、凸緣、燈泡卡位、彈簧卡扣槽、凸緣兩側(cè)端面A、B、外圓端面C→凸緣左側(cè)端面A（外觀面）噴砂氧化→A 面兩處倒角高光處理→沖壓外圓上2個(gè)T形槽。

1.3 工藝難點(diǎn)分析

（1）零件裝夾困難，直接用三爪卡盤裝夾，薄壁鋁件在夾緊力的作用下易變形。

（2）雖然零件尺寸精度要求不高，但是在加工中受到切削力和切削熱的影響，零件易出現(xiàn)振動(dòng)和熱變形。

（3）零件外觀面易變形，平面度超差嚴(yán)重，會(huì)對(duì)零件加工質(zhì)量造成影響。

（4）為防止零件在加工中出現(xiàn)振動(dòng)彈刀，加工時(shí)需降低進(jìn)給速度，這會(huì)影響生產(chǎn)效率。

2 優(yōu)化前方案

若采用三爪卡盤裝夾，零件無(wú)法加工，根據(jù)常規(guī)薄壁件加工方法設(shè)計(jì)一套夾具，該夾具分成2副，如圖4所示，其加工步驟如下。

（1）零件裝在第1副夾具上，通過(guò)彈性筒夾夾緊毛坯凸緣約1.2 mm（凸緣厚度2.3 mm，留出1 mm 避空），φ71 mm 車削外圓、φ68 mm 內(nèi)孔、凸緣右端面B、外圓端面C、0.4 mm×2 mm彈簧卡扣槽等加工。

（2）零件裝在第2副夾具上，通過(guò)彈性脹套脹緊已加工好的φ68 mm內(nèi)孔，車削凸緣左端面A。

（3）凸緣左端面A噴砂氧化處理。

（4）零件再次裝在第2副夾具上，通過(guò)彈性脹套脹緊已加工好的φ68 mm 內(nèi)孔，對(duì)兩處倒角、φ66 mm燈泡卡位進(jìn)行車削。

上述方案能完成燈罩殼體的車削，零件未發(fā)生變形，表面質(zhì)量也能達(dá)到客戶要求，但整個(gè)流程需要4 道工序，第2 副夾具還要裝夾2 次，加工過(guò)程比較繁瑣，生產(chǎn)效率達(dá)不到要求。

圖4 優(yōu)化前夾具結(jié)構(gòu)

3 優(yōu)化后方案

3.1 選擇定位元件

根據(jù)需加工部位的特點(diǎn)，定位元件選用彈性脹套和定位套，彈性脹套在受力時(shí)發(fā)生均勻脹大，零件夾緊力度均勻穩(wěn)定，即可消除5 個(gè)不確定度（X 和Y向移動(dòng)不確定度，X、Y和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)不確定度）；定位套則消除1 個(gè)不確定度（Z 向移動(dòng)不確定度），累計(jì)消除6 個(gè)不確定度，如圖5 所示。經(jīng)上述分析，此夾具定位穩(wěn)定可靠，滿足6點(diǎn)定位法則。

圖5 定位元件消除不確定度

3.2 夾緊方案與夾緊力分析

夾具動(dòng)力源選用旋轉(zhuǎn)式液壓缸，液壓缸活塞桿帶動(dòng)拉桿向左運(yùn)動(dòng)，拉桿作用于錐面使彈性脹套產(chǎn)生徑向變形，將零件脹緊，具體夾緊力可通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿設(shè)置。

圖6 所示為脹套的力學(xué)模型，其中F 是液壓缸工作時(shí)所施加的拉力，α 是脹套錐角，N 是脹套外圓面與零件內(nèi)孔接觸時(shí)產(chǎn)生正壓力，f是由上述正壓力所產(chǎn)生的摩擦力，R 是N 和f 的合力，也稱全反力，φ是R和N的夾角。

圖6 脹套力學(xué)模型

為了分析脹套的受力狀態(tài)，取圖6 所示的模型進(jìn)行分析（取外環(huán)），圖6 中R 為脹套在液壓缸活塞桿拉力F的作用下內(nèi)外錐面上所產(chǎn)生的正壓力N 和摩擦力f 的合力，其中N 和R 的夾角φ，即摩擦角φ=arctanμ，式中μ 為摩擦因數(shù)，鋼材μ 取0.1～0.12。由受力平衡條件可得下式：

該夾具中摩擦因數(shù)μ 取0.12，得φ=6.84°，脹套錐角α=25°代入上述公式得：

則摩擦力f=N/cosφ×π×d×L=1.1×10-3F≥切削FC，式中L≈2.5 mm。

燈罩殼體是薄壁鋁件，質(zhì)量小，僅有0.3 mm 加工余量，故所受切削力也小，且零件凸緣可支撐定位，夾緊方式采用彈性脹大。參考同類型夾具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值夾緊長(zhǎng)度L取2.5 mm，經(jīng)查參考文獻(xiàn)，切削力FC=9.81CFC×αXFCp×fYFC×KFC，上 式 代 入 各 參 數(shù) 得1.1×10-3×F≥FC，得出F≥554.55 N，夾緊力分布如圖7所示。

圖7 夾緊力分布

4 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮定位和夾緊的設(shè)計(jì)需求，該數(shù)控機(jī)床專用夾具由4 個(gè)零件組成：彈性脹套、定位套、拉桿、連接套。

4.1 彈性脹套

彈性脹套以φ66 mm×3.5 mm 外圓臺(tái)階與燈罩相應(yīng)內(nèi)孔配合定位，其左端車削M60 mm×2 mm 外螺紋與連接盤鎖緊，中間有一個(gè)φ98 mm 凸緣加工4個(gè)M6 mm 螺紋孔用來(lái)連接定位套，凸緣右端面與定位套接觸。為了便于脹套旋入連接盤中，凸緣外圓應(yīng)加工工藝錐孔，凸緣右側(cè)有φ68 mm 外圓與定位套對(duì)應(yīng)內(nèi)孔配合。在右端有25°內(nèi)錐孔，同時(shí)為便于脹大變形，線切割4 個(gè)1.6 mm×35 mm 的槽，選用40Cr 鋼作為其材料，為保證高彈性和疲勞強(qiáng)度，在加工零件最終尺寸后采用碳氮共滲＋調(diào)質(zhì)處理，使表面硬度達(dá)52 HRC，彈性脹套如圖8所示。

圖8 彈性脹套

4.2 定位套

由于燈罩殼體外觀面較大，如只依靠彈性脹套右端的小臺(tái)階面與燈罩大外觀面A定位則會(huì)出現(xiàn)定位不穩(wěn)，現(xiàn)采用定位套實(shí)現(xiàn)零件軸向定位。定位套以左端面與彈性脹套接觸，以φ68 mm 內(nèi)孔與彈性脹套配合。定位套左端φ98 mm 處在銑床上圓周分孔銑出4 個(gè)沉孔用來(lái)連接彈性脹套，為了調(diào)用左偏刀車削燈罩外觀面A 時(shí)加工面積最大，專門在定位套右端車出φ71.5 mm×10.5 mm 避空位，如圖9 所示。定位套材料選用45鋼，為了滿足所需的定位精度，加工零件最終尺寸后通過(guò)熱處理使表面硬度達(dá)50 HRC。

4.3 拉 桿

拉桿屬于標(biāo)準(zhǔn)配件，如圖10 所示，其右端M16 mm 與液壓缸的連接件螺紋連接，左端25°錐面拉緊彈性脹套內(nèi)錐面以產(chǎn)生均勻脹大，錐面內(nèi)設(shè)有六角孔便于拉桿擰進(jìn)與液壓缸進(jìn)行連接。

圖9 定位套

圖10 拉桿

4.4 連接盤

彈性脹套與機(jī)床主軸的配合必須同軸并可靠連接，通過(guò)上述分析可知，燈罩殼體尺寸精度不高，可直接采用連接盤與車床三爪卡盤連接。連接盤左端車出一個(gè)臺(tái)階面與卡盤端面軸向定位，以連接盤上φ62H7 mm 孔與彈性脹套左端φ62h6 mm 定位圓柱配合，將連接盤上的M60 mm×2 mm 螺紋旋緊，使彈性脹套φ98 mm 凸緣的左端面與連接盤右端面接觸，此安裝方式定位準(zhǔn)確，剛性好，如圖11所示。

5 夾具定位誤差估算

零件的φ71 mm外圓、φ100 mm凸緣、φ68 mm內(nèi)孔、凸緣左端面（外觀面）A、凸緣右端面B、外圓右端面C都是在一次裝夾中車削完成，其尺寸精度、形位公差取決于刀具質(zhì)量和機(jī)床精度，與夾具定位無(wú)關(guān)，只有調(diào)頭車內(nèi)孔φ66 mm 時(shí)的同軸度公差0.1 mm才依靠夾具保證。

選用定心夾緊機(jī)構(gòu)，燈罩殼體的定位基準(zhǔn)、工序基準(zhǔn)是所加工面的軸線，定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)一致，則基準(zhǔn)不重合誤差[ΔB]=0。彈性脹套是定位、夾緊元件，無(wú)論各元件位于何位置，其軸線位置不變，故定位基準(zhǔn)不改變，即基準(zhǔn)位移誤差[ΔW]=0。因此燈罩殼體的定位誤差[ΔD]=[ΔB]+[ΔW]=0＜0.13 mm，所以優(yōu)化后的2套夾具都可以保證大批量加工時(shí)的精度要求。

6 優(yōu)化后夾具優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)化后夾具如圖12所示，其優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）夾具放棄螺紋鎖緊方式，采用液壓缸活塞桿鎖緊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、鎖緊效果好等優(yōu)點(diǎn)，不僅能快速裝夾大批量薄壁鋁件，而且克服因機(jī)械鎖緊導(dǎo)致螺紋失效的缺陷。

（2）夾具將改進(jìn)前的車削外圓、端面、內(nèi)孔和拋光外觀面A 的2 個(gè)工序整合為一體，改進(jìn)了工藝，提升了加工效率。

（3）彈性脹套裝夾零件部分僅2.5 mm，利用凸緣輔助支撐，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證使用該夾具加工穩(wěn)定、廢品率低，既縮短零件裝夾長(zhǎng)度，同時(shí)盡可能增加一道工序的加工量。

（4）定位套右端定位零件的位置車削2 個(gè)臺(tái)階φ75 mm×18.5 mm 和φ71.5 mm×10.5 mm，既充分考慮左偏刀運(yùn)行時(shí)的避空位，又增加一次裝夾加工中加工外觀面A的面積。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將LED 燈罩殼體車削外圓、端面、內(nèi)孔和光外觀面的2個(gè)工序整合為一體，改進(jìn)加工工藝，優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升了加工效率，并對(duì)優(yōu)化后的夾具進(jìn)行定位分析、受力分析、誤差分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。實(shí)踐證明，使用優(yōu)化后的專用夾具加工效率約為優(yōu)化前的1.5 倍，夾具結(jié)構(gòu)合理、夾緊迅速、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠、廢品率低，實(shí)現(xiàn)LED 燈罩殼體的高效率便捷化加工。