一種可調(diào)中心距通用性鉆孔夾具的設(shè)計及應(yīng)用

劉新軍 龔 桓 江家和

（遵義精星航天電器有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563125）

0 引言

在機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，零件上的孔加工的傳統(tǒng)工藝方法是使用鉆孔夾具在鉆床上進(jìn)行加工，這也是電連接器附件零件上孔加工的主要方法。當(dāng)然，隨著加工設(shè)備的升級換代，越來越先進(jìn)的加工設(shè)備應(yīng)用到生產(chǎn)實際中，集成工序加工方法越來越普及，也更適合小批量的生產(chǎn)類型。實際上，該文主要論述的是某款電連接器產(chǎn)品在研發(fā)輸出階段就已經(jīng)有批量加工的計劃，為了降低加工成本并滿足批量零件的加工需求，仍需要考慮采取傳統(tǒng)分工序加工的工藝路線，兩附件零件上的安裝孔加工使用鉆孔夾具在臺式鉆床上完成。

1 通用性鉆孔夾具的設(shè)計

1.1 零件加工工藝性分析

某電連接器附件零件如圖1 所示。該零件是軸類結(jié)構(gòu)零件，原材料是316L 不銹鋼鋼棒。零件結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但需要進(jìn)行車、鉆、鏜、銑切削加工，除了原材料是難切削加工材料，多工序裝夾加工保障能力也是該零件加工的難點。由于該零件屬于中、小批量加工的生產(chǎn)類型，工藝上充分考慮公司機(jī)加車間現(xiàn)有設(shè)備資源，采取將工序分散到各設(shè)備上進(jìn)行加工的工藝流程，即去余量落料（數(shù)控車床）→正面車削成形（數(shù)控車床）→反面車削成形（數(shù)控車床）→銑端面齒（數(shù)控銑床）→銑尾端兩缺口（數(shù)控銑床）→鉆尾端缺口兩通孔（鉆床，專用鉆夾具）→去飛邊毛刺→清洗。上述工序的加工難點有2 處：一是銑尾端兩缺口時需要使用曲面加工數(shù)控程序，利用編程軟件對四斜面進(jìn)行自動編程，生產(chǎn)程序多且加工時間長，使用了公司現(xiàn)有的建模軟件、編程軟件、仿真加工軟件、DNC 傳輸軟件等當(dāng)前先進(jìn)的CAM 方法；二是鉆尾端缺口兩通孔時，由于使用的設(shè)備是普通的臺式鉆床，需要解決定位夾緊，必須設(shè)計加工出專用的鉆孔夾具才能實現(xiàn)。

圖1 某電連接器附件零件（mm）

1.2 通用性鉆孔夾具設(shè)計原理

如果僅對圖1 中零件的兩螺紋過孔設(shè)計簡易專用的鉆孔夾具，夾具結(jié)構(gòu)還是比較簡單的，只需要按工件的實際外形尺寸、孔徑、孔位和孔距尺寸設(shè)計一鉆孔夾具體，并在該夾具體上設(shè)計出鉆模孔，配上相應(yīng)的鉆模套[1]即可。該零件的專用鉆孔夾具的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

使用圖2 的簡易專用鉆孔夾具不需要將工件夾緊，只需要將工件裝入夾具體定位腔內(nèi)即可在臺式鉆床上完成兩孔鉆削加工。實際上，該鉆孔夾具的夾具體留了約20mm 高的夾持余量，使用夾具固定在平口鉗上很穩(wěn)定，即使是鉆削加工和轉(zhuǎn)變加工位置時也不會松脫。工件兩孔的加工孔位和孔中心距主要依靠夾具來保證，因此將工件裝入夾具時一定要裝入位，以保證定位準(zhǔn)備。并且工件在夾具體沉腔內(nèi)徑向定位的精度取決于工件前道加工的外形尺寸的一致性，因此應(yīng)該對前道工序外形尺寸的控制進(jìn)行SPC 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，確保工序能力指數(shù)達(dá)到1.33，以確保鉆兩孔時的對稱度。

圖2 簡易專用鉆孔夾具的結(jié)構(gòu)圖（mm）

由于生產(chǎn)任務(wù)非常緊張，對某系列產(chǎn)品上述多種規(guī)格的尾部外殼進(jìn)行加工時沒有充裕的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，9 種尾部外殼如果要輸出9 款上述鉆孔夾具，則難以在規(guī)定的時間內(nèi)交付加工好的零件。出于對加工成本管控的需要，根據(jù)上述鉆孔夾具的原理，該文輸出了一款通用性的鉆孔夾具，可以通過調(diào)整夾具上的鉆套及鉆套位置，使用同一副鉆孔夾具完成該系列9 款尾部外殼的鉆孔加工。通用性的鉆孔夾具的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 通用性的鉆孔夾具的結(jié)構(gòu)圖

該通用鉆孔夾具由4 部分組成，即夾具體、鉆模板、鉆套和定位塊，這是一款結(jié)構(gòu)簡單但很實用的可調(diào)中心孔的通用性鉆孔夾具。該通用性鉆孔夾具雖然在原理和使用上與圖2 基本相同，即也是將工件裝入夾具體沉腔定位后進(jìn)行鉆孔加工，但為了保證某系列產(chǎn)品9 款尾部外殼零件都能使用該鉆孔夾具，該文在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了新的設(shè)計。1）在夾具體兩大平面上設(shè)計了半圓型的定位通槽，用于固定安裝鉆模板。2）將定位板設(shè)計在夾具體的中間位置，其目的是可以滿足9 款工件鉆孔加工的定位需求。將定位板設(shè)計在夾具體的中間可以滿足九款尾部外殼根據(jù)鉆孔加工要求分別選用該夾具兩大平面?zhèn)妊b入工件。3）考慮空間受限，將鉆套的結(jié)構(gòu)改型成凸起定位過盈配合到鉆模板上。4）由于該夾具可以通過調(diào)整鉆模板的位置來加工適合的尾部外殼兩孔，因此將夾具體通腔設(shè)計成單面定位，即工件裝入定位腔時只需要定位好非鉆模板一側(cè)，為了避免鉆頭從鉆模套下來鉆削工件受阻，在另一側(cè)將頂部設(shè)計成避空的腰形通槽，也可在鉆孔時起排屑作用。該通用性鉆孔夾具需要在夾具設(shè)計前進(jìn)行整體性策劃，即如何使該系列9 種尾部外殼的加工在一副鉆孔夾具上完成。

首先，夾具體的設(shè)計[2]。這是最關(guān)鍵的，也是決定該通用性鉆孔夾具是否可以實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的保障。認(rèn)真分析該系列尾部外殼待鉆兩孔的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 中“外圓”尺寸決定了夾具體外形長度尺寸大小。以最大號規(guī)格——25 號尾部外殼為例，其最大外圓是φ42.5mm，則夾具體的定位腔至少要做到42.5mm，加上雙面壁厚至少10mm，夾具體的長度至少是52.5mm，通常取整為55mm 或60mm。

表1 中“到端面孔位”尺寸決定了夾具體寬度尺寸大小，從表1 中可以得出9 號～19 號的“到端面孔位”尺寸都是3.3mm，而21 號～25 號的“到端面孔位”尺寸都是4mm，因此必須要將夾具體分割成2 個部分（如圖3 所示），即9 號～19 號在一側(cè)，21 號～25 號在另一側(cè)，夾具體寬度尺寸=前側(cè)夾具厚度+后側(cè)夾具厚度+定位板厚度。其中前、后側(cè)夾具厚度由“直線段長”尺寸限定，為了保證有一定的避空以滿足鉆孔時準(zhǔn)備定位，設(shè)計時前側(cè)夾具厚度取7.5mm、后側(cè)夾具厚度取10mm、定位板厚度取5mm，則夾具體寬度尺寸確定是22.5mm。

表1 通用性鉆孔夾具設(shè)計的主要數(shù)據(jù)（mm）

表1 中“孔心距”尺寸確定了半圓型定位槽的位置，從表1 中可以得出，9 號到25 號的孔心距從10.2mm 到34.5mm，跨距基本為3mm，夾具體上的半圓型定位槽位置就是按表1 中的真實數(shù)據(jù)確定的。

表1 中“壁厚”尺寸是指工件鉆孔位置的壁厚。因為工件是要將鉆孔部分放入夾具體定位腔的，該尺寸也就決定了定位腔的高度。為了滿足通用要求，定位腔只能以最厚的工件設(shè)計。并且為了保證工件在鉆孔時的排屑和工件退出，也必須給予一定的富余量空間，這里給2mm，則夾具體定位腔的高度可以確定為6mm。

表1 中“孔徑”和“單邊孔位”則與附件上加工的孔直接相關(guān)。

其次，鉆套設(shè)計。根據(jù)所鉆孔徑大小和鉆套的設(shè)計原理進(jìn)行。從表1 中可以看出，有2 種鉆套（內(nèi)孔分別是φ3.6mm 和φ4.1mm）需要加工，設(shè)計時鉆套的壁厚可以按大孔φ4.1mm 進(jìn)行確定，并將鉆套的外徑設(shè)計成一樣大小，以保證鉆模板的通用性。

再次，鉆模板設(shè)計[3]。在夾具體和鉆套已設(shè)計好的基礎(chǔ)上完成。主要包括2 個配合部分的設(shè)計：1）半圓型定位凸臺的設(shè)計是在夾具體半圓型定位槽的基礎(chǔ)上，單邊給0.02mm 余量后直接生產(chǎn)的。2）鉆套配合的異形孔是根據(jù)鉆套外形尺寸相過盈配合而確定的，鉆模板的外形尺寸也是按照它與夾具體、鉆套相配合的形狀確定的。

最后，定位板設(shè)計。它是夾具上最簡單的零件，只需要根據(jù)夾具體上定位槽的長、寬、高尺寸來確定，保證與夾具體小過盈量配合即可。

2 通用性鉆孔夾具零件的加工過程分析

某系列產(chǎn)品尾部外殼的鉆兩孔通用性鉆孔夾具的各零件加工工藝性在設(shè)計階段已進(jìn)行了工藝方案評估，具備良好的加工工藝性，也滿足經(jīng)濟(jì)性的加工要求。1）夾具體的加工。作為夾具的主要部件，夾具體在鉆孔過程中不僅對鉆模板、定位板的安裝使用起支撐作用，還直接定位被加工工件并對其中一個孔起鉆模作用。夾具體既是支撐性部件，又是功能性部件，因此需要比較高的強(qiáng)度和硬度，加工中選擇了已淬火的標(biāo)準(zhǔn)Cr12 鋼塊，鋼塊厚度就是夾具體的高度。加工工藝直接使用穿孔機(jī)、慢（中）走絲機(jī)經(jīng)過2 道割制加工即可完成。2）鉆模板的加工。鉆模板作為夾具的支撐部件，起承上啟下的作用，既需要在夾具體上正確定位，也需要牢固支撐鉆套，因此需要比較高的加工精度和耐磨性。由于其是臺階結(jié)構(gòu)，因此在加工工藝上無法實施整體線切割加工，只能使用整塊材料銑削加工成型。為了滿足鉆模板的高精度加工要求，選擇采取比較容易加工的硬鋁材料一次性加工成型，因為有色金屬中的硬鋁是易切削加工材料，比較容易滿足銑削的尺寸精度要求，完成加工后再實施鍍硬鎳以保證其耐磨性。3）鉆套的加工。將鉆套設(shè)計成通過緊配鑲嵌于鉆模板內(nèi)固定不動。鉆孔時鉆套是引導(dǎo)鉆頭定位鉆孔的零件，因此需要比較高的硬度和耐磨性，加工中選擇已淬火的標(biāo)準(zhǔn)DC53 合金鋼鋼塊，在加工工藝上直接使用穿孔機(jī)、慢（中）走絲機(jī)經(jīng)過2 道割制加工即可成型。鉆套和鉆套板的配合形式經(jīng)過了2 次改型，最初設(shè)計的鉆套和鉆套板的定位方式是雙掛臺結(jié)構(gòu)，原因是雙掛臺結(jié)構(gòu)受力平衡，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的麻花鉆經(jīng)過鉆套導(dǎo)入時，可以有效抵制逆向扭矩，進(jìn)而防止鉆套從鉆套板里脫出，避免安全事故發(fā)生。由于加工鉆模板時發(fā)現(xiàn)雙掛臺定位結(jié)構(gòu)占的空間大，反而造成鉆模板強(qiáng)度下降，將鉆套鑲?cè)脬@模板后再次更換鉆套時發(fā)現(xiàn)鉆模板的鉆套雙掛臺定位槽處有裂紋，因此將鉆模板的定位槽改為定向定位，將定位槽旋轉(zhuǎn)了90°。改進(jìn)后的鉆模板和鉆套的結(jié)構(gòu)圖即如圖3 所示，既保證了夾具零件的強(qiáng)度，又方便更換鉆套使用鉆夾具。4）定位板的加工。定位板結(jié)構(gòu)簡單，也是鑲?cè)電A具體通槽內(nèi)作為尾部外殼鉆孔時的軸向定位。通常是先使用標(biāo)準(zhǔn)板先平磨兩平面，以滿足與夾具體過盈配合要求，然后再使用線切割割外形即可成型。

3 通用性鉆孔夾具的實際應(yīng)用

前面論述了將鉆孔夾具設(shè)計成通用性而不是專用性的原因，并對通用性鉆孔夾具的設(shè)計原理和使用要求進(jìn)行了說明，但實際上是否滿足加工需求，還需要進(jìn)行加工驗證。

為此，該文在某款尾部外殼加工前先輸出了通用性鉆孔夾具圖紙，并進(jìn)行了相應(yīng)夾具零件的加工和夾具組裝。1）將定位塊鑲嵌于夾具體內(nèi)。2）根據(jù)待加工尾部外殼的規(guī)格選擇相應(yīng)的鉆套，將鉆套鑲嵌于鉆模板內(nèi)。3）根據(jù)待加工尾部外殼的規(guī)格，將鉆模板組件安裝到夾具體相應(yīng)的半圓型定位槽內(nèi)。4）將組裝好的鉆夾具裝入小平口鉗夾緊。對工件實施鉆孔時，先將工件裝入夾具體定位腔，注意要將固定孔側(cè)作為工件的定位，軸向也要使工件的端面緊貼定位板平面，確保工件在2 個方向上均定位準(zhǔn)確。鉆好一側(cè)的孔后，將平口鉗整體移動，使鉆夾具工件上另一個未加工孔能再次完成加工。實際上，在設(shè)計此通用性鉆孔夾具前，也考慮了將固定孔側(cè)作為固定定位，鉆孔時先鉆好一孔，然后取出工件翻面再進(jìn)行另外一個孔的鉆加工。但這樣的加工就是將兩孔中心距尺寸轉(zhuǎn)化為兩單孔到大圓面的孔位尺寸來控制，在理論上是工藝基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不統(tǒng)一，在實際中孔中心距尺寸也會受大外圓尺寸和2次裝入誤差的影響兒發(fā)生經(jīng)常性超差，因此沒有使用這種加工方法。

公司類似上述尾部外殼類的零件結(jié)構(gòu)有多個系列，累計有幾十種零件，基本都是多品種、小批量的生產(chǎn)類型，如果對每種零件加工的鉆孔都設(shè)計加工專用性鉆夾具，不僅會增加幾十倍的夾具制造成本，也難以滿足零件加工周期的需要，最重要的還是夾具的管理和維護(hù)難度，因此該文基于這些方面提出匯總這些類似結(jié)構(gòu)的零件鉆孔特征，設(shè)計一套可調(diào)中心距的通用性鉆孔夾具以解決這些問題。該課題輸出的通用性鉆孔夾具是一種組合式夾具，有2 種功能組合模式，共用夾具體和定位板，針對匯總統(tǒng)計分析出不同尾部外殼的外形尺寸、孔距尺寸和孔位尺寸，一個組合是在夾具體上設(shè)計不同位置的鉆模套孔，并將根據(jù)不同規(guī)格尾部外殼的孔徑設(shè)計出的鉆模套板組裝到夾具體上進(jìn)行固定；另一個組合是將定位板固定安裝到夾具體上。因此，對不同的尾部外殼鉆孔，只需要先根據(jù)工藝圖紙選擇相應(yīng)的鉆模套，然后將鉆模套固定安裝到鉆模板上，再根據(jù)工藝圖紙要求將鉆模板安裝到夾具體相對應(yīng)的定位卡槽，即完成了該通用性鉆孔夾具的組合安裝。最后就是使用該鉆孔夾具在臺式鉆床上完成零件的鉆孔加工。

4 結(jié)語

使用該課題輸出的可調(diào)中心距通用性鉆孔夾具對3 款不同規(guī)格的尾部外殼進(jìn)行了鉆孔加工，首檢合格后進(jìn)行了批次性加工驗證，最終檢驗工件均滿足圖紙尺寸要求。和專用鉆孔夾具相比，該通用性鉆孔夾具使用范圍大、易于管理且方便調(diào)整，以一副鉆孔夾具代替9 副專用鉆孔夾具，大大節(jié)省了夾具加工費，有效縮短了產(chǎn)品零件的加工交付周期。