基于機(jī)械挺桿復(fù)合磨削浮動(dòng)薄膜夾具的設(shè)計(jì)*

武亞平 孟 瑾 李妙玲

(洛陽理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

挺桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要組成部分。機(jī)械挺桿的實(shí)物如圖1所示。挺桿的一端與凸輪接觸，另一端與氣門接觸。它的作用是將凸輪的推力傳給氣門[1]，如圖2所示。在挺桿的底端的內(nèi)孔里裝有調(diào)整墊片，可滿足氣門的間隙要求。而底端的內(nèi)圓及端面的加工精度直接影響到調(diào)整墊片的使用壽命?，F(xiàn)有的加工方法很難保證其尺寸公差和形位公差的要求。本文采用一種全新的浮動(dòng)薄膜夾具，能解決以上存在的問題。

1 技術(shù)要求與工藝分析

1.1 技術(shù)要求

機(jī)械挺桿的零件圖如圖3所示。材料為20Cr，滲碳處理。磨削加工時(shí)硬度約為60 HRC，為熱處理后進(jìn)行精加工。底端裝有調(diào)整墊片，與凸輪接觸?？诙伺c氣門機(jī)構(gòu)聯(lián)接。本工序主要是磨削φ28 mm的內(nèi)孔(上偏差為+0.041 mm，下偏差為+0.020 mm，7級(jí)精度)和粗糙度為0.8 μm的端面，為復(fù)合磨削。同時(shí)還要保證φ28 mm的尺寸公差和端面的跳動(dòng)公差。該零件屬于薄壁類零件，壁厚為1 mm。在機(jī)械加工過程中很容易發(fā)生彈性變形，且口端比底端變形量大[2]。磨削結(jié)束后，工件回彈，很難保證垂直度的要求。

1.2 工藝分析

在磨削加工之前，口端的外圓和內(nèi)孔已加工完成。待加工部位是底端的內(nèi)孔和端面。應(yīng)選擇口端的已加工部位作為定位基準(zhǔn)。這樣可保證在一次裝夾的過程中，實(shí)現(xiàn)底端的內(nèi)孔和端面的同工位加工，從而保證形位誤差。

對(duì)于這種薄壁零件的磨削，國內(nèi)外很多學(xué)者都做過相關(guān)研究：趙東宏等人[3]設(shè)計(jì)了多點(diǎn)式環(huán)形夾具，通過增加夾具和工件的接觸點(diǎn)來減小工件的變形；鄧吟等人[4]通過有限元仿真分析，根據(jù)變形趨勢(shì)來選擇最優(yōu)的裝夾方式；杜威等人[5]對(duì)夾具進(jìn)行改進(jìn)，在芯軸的凸塊上安裝螺紋頂絲，限制徑向自由度；杜海清等人[6]通過油泥填充的方式來提高薄壁零件的系統(tǒng)剛性。針對(duì)以上問題，本文提出了一種浮動(dòng)薄膜夾具。該夾具在底端采用硬點(diǎn)支撐、在口端采用浮動(dòng)支撐。使夾緊點(diǎn)處的摩擦系數(shù)增大，從而降低了薄壁類零件的夾緊變形，提高挺桿的加工質(zhì)量。可實(shí)現(xiàn)端面和內(nèi)徑表面的同時(shí)加工，提高生產(chǎn)效率。

2 浮動(dòng)薄膜夾具的結(jié)構(gòu)原理

浮動(dòng)薄膜夾具又稱膜片定心夾具，是利用薄膜卡盤受推力后產(chǎn)生均勻彈性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)定心和夾緊，結(jié)構(gòu)見圖4。工件底端采用硬點(diǎn)支承，口端采用浮動(dòng)支承。這樣既可避免過定位，同時(shí)可減小彈性變形。這種夾具結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的定心精度。裝夾工件迅速，定位可靠。安裝時(shí)，先用內(nèi)六方螺釘9將頂塊10和定位塊8裝在薄膜卡盤1上。定位塊8的螺紋孔中裝有螺桿3。定位塊8和螺桿3采用螺紋聯(lián)接，可調(diào)節(jié)螺桿3的軸向位置。螺桿3的右端面是球形，與工件口端的凸臺(tái)為點(diǎn)接觸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的軸向定位。而且，工件在軸向的位置可通過螺桿3來調(diào)整。工件的徑向定位通過薄膜卡盤1上的緊固螺栓2和6來實(shí)現(xiàn)。緊固螺栓2采用的是浮動(dòng)夾緊方式，緊固螺栓6采用的是硬點(diǎn)夾緊方式。

硬點(diǎn)夾緊，就是緊固螺栓6和工件5之間的定位為金屬與金屬的接觸，這種定位方式摩擦系數(shù)較小。但在對(duì)工件5進(jìn)行磨削時(shí)需要較大的夾緊力，這樣會(huì)導(dǎo)致因夾緊力大而使工件5變形。而緊固螺栓2與工件5之間的定位改進(jìn)為浮動(dòng)夾緊，即在緊固螺栓2的接觸點(diǎn)為非金屬材質(zhì)(如聚氨酯)，這樣可以增大摩擦系數(shù)，減小工件5在磨削時(shí)的變形[7]。如果緊固螺栓2和6都采用硬點(diǎn)夾緊，這樣會(huì)導(dǎo)致工件過定位，而且會(huì)變形，工件外圓的圓柱度就無法保證。而底端采用硬點(diǎn)支承，口端采用浮動(dòng)支承，這樣就有效地解決了過定位問題，既不會(huì)使工件變形，同時(shí)也保證了工件5與薄膜卡盤1的同軸度。

該夾具的工作過程如圖6所示。在進(jìn)行工件的裝夾時(shí)，油缸的活塞桿有一個(gè)向右的水平推力，通過推桿11作用在頂塊10上。薄膜卡盤1在這個(gè)推力下會(huì)發(fā)生彈性變形，右端張開，夾緊工件。推桿11左移，薄膜卡盤1回位，并推動(dòng)工件5左移，保證工件5的內(nèi)凸臺(tái)與螺桿3的右端接觸，完成軸向定位。磨削完成后，推桿11再向右運(yùn)動(dòng)，薄膜卡盤1的右端再次張開，將工件卸下。浮動(dòng)薄膜夾具的使用，既保證了工件的正確裝夾，又能在同一個(gè)工位完成對(duì)內(nèi)孔和端面的復(fù)合磨削，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 夾具的關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)

薄膜卡盤1是該夾具的最關(guān)鍵的零件，結(jié)構(gòu)如圖7所示。為了使薄膜卡盤有足夠的彈性，裝卸工件時(shí)能快速地收縮和脹開，在軸向開了4個(gè)(或6個(gè)，偶數(shù)個(gè))均布的等分長槽。當(dāng)薄膜卡盤受到活塞桿向右的水平推力時(shí)，套筒上的4片會(huì)脹開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的裝卸。如果等分槽切割不均勻，4個(gè)彈片的變形會(huì)有差異，導(dǎo)致和工件的接觸不均勻。彈性部分頻繁地脹開和收縮，為了防止斷裂或產(chǎn)生永久變形，彈性套要有足夠的韌性、耐磨性和抗疲勞性。所用材料為40Cr，淬火處理，硬度為43～48 HRC。

薄膜卡盤1是該夾具的關(guān)鍵零件，加工精度必須達(dá)到圖紙要求。當(dāng)薄膜卡盤全部加工完成后，再切槽。在進(jìn)行挺桿的磨削時(shí)，要先裝工件，再夾緊。當(dāng)磨床不工作時(shí)，薄膜卡盤1應(yīng)處于非工作狀態(tài)，防止卡爪產(chǎn)生永久變形。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的浮動(dòng)薄膜夾具，主要適用于機(jī)械挺桿等類似結(jié)構(gòu)的薄壁零件。該夾具在挺桿底端采用硬點(diǎn)支撐、在口端采用浮動(dòng)支撐。使夾緊點(diǎn)處的摩擦系數(shù)增大，從而降低了薄壁類零件的夾緊變形，提高挺桿的加工質(zhì)量?？蓪?shí)現(xiàn)端面和內(nèi)徑表面的復(fù)合磨削。工件在裝卸時(shí)快速方便，定心精度、重復(fù)定位精度高。且夾具成本低，使用壽命長，較好地解決了薄壁零件在加工時(shí)易變形、重復(fù)定位精度差的難題。最終能保證零件的尺寸公差和形位公差，滿足了產(chǎn)品的使用性能。