薄壁套筒零件外表面銑削夾具設(shè)計

康凱，陳玉嬌，閆心杰

(1.河北建筑工程學院 機械工程學院，河北 張家口 075132；2.張家口建筑工程集團有限公司，河北 張家口 075000；3.張家口市水母宮景區(qū)管理處，河北 張家口 075041)

0 前言

在機械制造領(lǐng)域，不同類型的套筒在其加工過程中的要求不同，如：薄壁套筒應(yīng)減小裝夾變形，在加工時應(yīng)選擇合適的裝夾方式；長套筒應(yīng)保證圓度和圓柱度，在加工時應(yīng)選擇合理的定位方式。

周慧英等[1]提出將夾角為90°的V型塊作為定位元件，通過V型塊的相向運動實現(xiàn)工件夾緊，該夾具具有自動定心作用，方便找正。梁峰[2]采用氣動夾具帶動3個定位軸在套筒內(nèi)孔進行伸縮運動，當定位軸朝向套筒內(nèi)孔表面伸展貼合時，可實現(xiàn)自動定心；當定位軸進行收縮運動時，便于工件拆卸。萬雨嫻等[3]采用軸向壓緊的方式裝夾工件，有效提高了裝夾效率，減小了工件變形。姜燕等[4]利用聚氨酯橡膠軸套在受壓變形后產(chǎn)生的徑向位移壓緊工件，既保證了工件表面質(zhì)量，又減小了變形。以上學者對夾具的設(shè)計原理、設(shè)計思路、制作過程等進行了充分研究，但是當工件的尺寸發(fā)生變化時，所設(shè)計的夾具即失去了定位、裝夾作用，導致夾具的加工范圍較小、適應(yīng)性較差。

為解決薄壁零件在加工過程中的變形問題，本文設(shè)計了一種薄壁套筒零件外表面銑削加工的內(nèi)撐夾具。該夾具采用內(nèi)部脹緊的方式實現(xiàn)快速定位，通過軸向壓緊可有效減小工件變形；通過更換脹緊瓦型號、增加副脹緊裝置，可擴大加工范圍，增加夾具的適用性。

1 工作原理與使用方法

在使用過程中，夾具應(yīng)便于定位及夾緊，盡量縮短安裝工件和對刀時間。在設(shè)計時，采用六點定位原理，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該夾具定位元件由主脹緊裝置1和副脹緊裝置6組成，二者限制了零件除繞自身軸線轉(zhuǎn)動之外的所有自由度[5]。通過轉(zhuǎn)動調(diào)整手輪3可將定位元件的脹緊瓦沿徑向脹開，實現(xiàn)快速定位。其壓緊裝置由壓緊盤7、支撐座8、鎖緊手柄9組成，通過轉(zhuǎn)動鎖緊手柄9帶動壓緊盤7作直線移動，將工件軸向壓緊。通過增加副脹緊裝置6的個數(shù)，可以有效擴大長度加工范圍；通過調(diào)整脹緊瓦型號可滿足不同工件的尺寸要求，擴大徑向加工范圍。

圖1 夾具體結(jié)構(gòu)

使用該夾具時，首先將底座2安裝固定在機床工作臺上；然后將調(diào)整手輪3安裝在底座2的座孔中，將主脹緊裝置1安裝在調(diào)整手輪3的轉(zhuǎn)軸端部，并將連接軸5與副脹緊裝置6和主脹緊裝置1相固聯(lián)；最后，將支撐座8安裝在機床工作臺上，通過支撐座8在工作臺上滑動，便于拆卸工件。

2 定位誤差分析與加工工藝

定位誤差由基準位移誤差和基準不重合誤差組成[6]，在設(shè)計時應(yīng)盡量減小定位誤差。以加工某批次薄壁套筒為例，其零件如圖2所示。該零件以套筒軸線為設(shè)計基準，采用所提夾具進行定位時，其定位基準與設(shè)計基準重合。由于套筒內(nèi)孔和脹緊瓦外表面貼合，即基準位移為0。綜合這2方面因素，可以確定本夾具適用于該批次零件的加工[7]。

圖2 薄壁套筒零件

在加工過程中，首先采用型號為CAK3665di的數(shù)控車床按照粗車—半精車—精車的工藝路線完成套筒的車削加工；然后采用型號為XHA714的三軸加工中心按照粗銑—半精銑—精銑的工藝路線將工件銑削至設(shè)計要求[8]。

3 切削力計算與有限元分析

在切削過程中產(chǎn)生的切削抗力，容易導致工件出現(xiàn)松動、移位和傾斜等現(xiàn)象，輕則出現(xiàn)“打刀”和工件報廢，重則發(fā)生安全事故。因此，在設(shè)計夾具時需要保證足夠的夾緊力。在加工該批次零件時，選用的刀具類型為4個刀齒、直徑為10 mm的高速鋼立銑刀。加工參數(shù)設(shè)置如下：粗加工時，轉(zhuǎn)速為500 r/min，進給量為0.3 mm/r，切削深度為1 mm；精加工時，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進給量為0.1 mm/r，切削深度為0.15 mm。根據(jù)銑削切削力公式[9]，可求得粗加工與精加工的切削力分別為396.67 N和124.7 N。

采用CATIA軟件對該夾具進行幾何建模，利用該軟件的裝配模塊模擬夾具體。由于脹緊裝置在工作時需要與套筒內(nèi)孔表面貼合，為了保護已加工表面，選擇6061鋁合金作為主脹緊裝置材料，其抗拉強度為205 MPa，屈服強度為55.2 MPa。在有限元分析模塊中，首先對主脹緊裝置進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)處理后共生成61 054個節(jié)點和259 377個元素；然后對主脹緊裝置施加約束，將其轉(zhuǎn)軸和支撐箱體設(shè)置為固定約束[10-11]；接著加載夾具，其應(yīng)力與應(yīng)變分布如圖3和圖4所示?？梢钥闯觯搳A具的最大應(yīng)力為1.59×106N/m2，最大變形量為2.45×10-5mm，最大應(yīng)力和最大變形均出現(xiàn)在脹緊瓦軸向定位面的邊緣上。結(jié)果表明，主脹緊裝置滿足強度條件，符合設(shè)計要求。

圖3 夾具體應(yīng)力圖

圖4 夾具體應(yīng)變圖

4 結(jié)語

針對薄壁套筒零件在二次裝夾中產(chǎn)生的變形問題，提出了一種適用于銑削加工的內(nèi)撐夾具，并對該夾具進行了理論計算和有限元分析。結(jié)果表明，該夾具的最大應(yīng)力為1.59×106N/m2，最大變形量為2.45×10-5mm，最大應(yīng)力和最大變形均出現(xiàn)在脹緊瓦軸向定位面的邊緣上。因此，該夾具的設(shè)計滿足要求，適用于薄壁套筒零件的加工，在實踐應(yīng)用中具有一定參考價值。