一種斜口法蘭制造工藝及專用夾具設(shè)計(jì)探究

許連杰

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215400）

0 引言

法蘭是一種常見的連接零件，一般用于管端的連接，也有的是用于在設(shè)備的出入口連接兩個(gè)設(shè)備。如圖1所示，該零件為液體攪拌機(jī)中一個(gè)入口法蘭零件，零件整體呈“工”字型，材質(zhì)為45#鋼材，最大外圓直徑?130 mm，最大長度82 mm。其中?130外圓公差要求較高，為f7級(jí)，即?130-0.043-0.083，內(nèi)孔及其他外圓均為自由公差。

圖1 入口法蘭零件圖

1 工藝制定

1.1 基面的選擇

能約束工件自由度最多的定位面稱為第一基準(zhǔn)面[1]。正確、合理地選擇基準(zhǔn)面可以保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，可以有效減少加工過程中問題的出現(xiàn)，避免零件大批報(bào)廢。

在第一道工序中，以毛坯外圓及毛坯端面作為粗基準(zhǔn)定位。第二道工序中，根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，選用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，即以已加工過的端面B和外圓A為定位的精基準(zhǔn)面，如圖2所示，如此可以消除因?yàn)榛鶞?zhǔn)不重合引起的定位誤差。

圖2 精基準(zhǔn)面的選擇

1.2 加工方法的選擇

依據(jù)零件加工要求及工藝特點(diǎn)，選擇能達(dá)到要求并有很好的經(jīng)濟(jì)性的加工方案。表面的加工方案確定如下：

（1）外圓、端面槽、內(nèi)孔、內(nèi)孔槽。根據(jù)加工要求及加工特點(diǎn)，采用車床加工。其中?130外圓公差等級(jí)IT7，內(nèi)孔?32內(nèi)孔長度9+0.2+0.1，均可以使用數(shù)車來加工。

（2）4-?19孔。根據(jù)加工要求及特點(diǎn)，采用加工中心來加工。雖然該孔是自由公差，但是表面粗糙度為Ra3.2，一般鉆削難以保證表面粗糙度及定位需求，所以要通過銑削來加工。

（3）?20孔。該孔為自由公差，表面粗糙度為Ra6.8，但是由于加工錐面上的沉頭孔需要用該孔作為銷孔來達(dá)到分度的目的，所以要通過加工中心進(jìn)行銑削、鏜削加工來保證其尺寸精度及表面粗糙度。

（4）8-?12沉頭孔。該孔為自由公差，表面粗糙度為Ra3.2，需要采用鉆床進(jìn)行鉆孔及鉆沉頭孔加工。

1.3 加工工藝制定

工序1：備料?135×86；

工序2：粗、精車端面，?124外圓，外圓梯形槽；

工序3：調(diào)頭安裝粗、精車端面，?130外圓，端面槽，內(nèi)孔，內(nèi)孔槽；

工序4：粗、精銑?20孔；

工序5：精鏜?20孔；

工序6：粗、精銑4-?19孔；

工序7：鉆8-?12孔及?17沉頭孔；

工序8：檢測入庫。

2 夾具設(shè)計(jì)

夾具概念設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出滿足工件裝夾要求的夾具結(jié)構(gòu)，是后續(xù)機(jī)加夾具詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這一階段的決策將對夾具的最終性能產(chǎn)生直接影響[2]。

2.1 夾具定位方案分析

根據(jù)加工工藝，需要設(shè)計(jì)夾具用于鉆床上鉆削錐面上的8個(gè)?12沉頭孔。定位方案采用大平面加V型擋板的方式限制工件的五個(gè)自由度。

夾具總體如圖3所示。

圖3 夾具總體及截面圖

2.2 夾具體

如圖4所示，夾具體是夾具的關(guān)鍵零件，它承載著定位元件、夾緊裝置、導(dǎo)向裝置等，并保證了元件與元件之間的相對位置關(guān)系。

圖4 夾具體

（1）此夾具用于鉆床鉆削位于錐面的沉頭孔。該沉頭孔與水平面夾角為60°，所以夾具體也應(yīng)該有相應(yīng)的傾斜。根據(jù)夾具的大平面與短套的定位方案，夾具用于定位的大平面要與水平面有30°夾角。

（2）夾具體還承擔(dān)著工件定位的作用，所以夾具體上要有與定位方案相對應(yīng)的特征。因此在夾具的平面上銑削圓孔，以避免與法蘭的干涉。

（3）根據(jù)入口法蘭的特征，需要鉆削的沉頭孔共有8個(gè)，均勻環(huán)形分布在法蘭的錐面上。為了方便加工，簡化加工步驟，需要增加分度裝置。為了配合分度裝置，需要在夾具上加工8個(gè)用于分度的定位孔。

（4）為了配合導(dǎo)向裝置、夾緊裝置等，需要在夾具體上鉆削銷孔、螺紋孔等。

2.3 定位方案

在工件定位方案設(shè)計(jì)中可應(yīng)用多種技術(shù)[3-4]。該套夾具的定位方案為大平面與V型擋板，且定位部分與夾具體為一體，即在夾具體的斜面上銑削兩個(gè)擋板呈90°V型。以凹臺(tái)的底面作為定位的大平面，以凹臺(tái)的側(cè)壁作為定位的短套。根據(jù)法蘭在專用夾具上的定位基準(zhǔn)面設(shè)計(jì)，凹臺(tái)深（8.87±0.01）mm。

2.4 鉆套

鉆套是專用機(jī)床夾具上重要的組成部分，其主要作用是保證刀具與工件正確的相對位置及引導(dǎo)刀具、提高刀具剛度?；趯Ｓ脢A具柔性化設(shè)計(jì)的考慮，為了方便同類零件不同尺寸的孔的加工，選用快換導(dǎo)套。根據(jù)GB/T 2263—1991《機(jī)床夾具零件及部件鉆套用襯套》要求，快換導(dǎo)套與襯套配合一般為F7/m6（間隙配合），襯套與鉆模板的配合為H7/r6（過盈配合）。導(dǎo)套與鉆頭之間屬于間隙配合，鉆擴(kuò)孔時(shí)，鉆套公差為F7，即鉆套孔的尺寸為?12+0.034+0.016。

鉆套的導(dǎo)向長度H一般根據(jù)工件材料、孔距精度、工件表面形狀等因素決定，通常取H=1～2.5d。長度越長，刀具的剛性就越好，但是會(huì)加劇鉆套與鉆頭之間的磨損。這里由于所要加工的孔位于錐面上，所以取H=2.5d。

鉆套最底端到所要加工的工件之間的距離會(huì)影響鉆屑的排出和麻花鉆的穩(wěn)定性，距離越大，越容易排屑，但過大的距離也會(huì)導(dǎo)致麻花鉆穩(wěn)定性下降。在加工鋼件時(shí)，間隙一般為0.7～1.5倍的孔徑。因?yàn)樵摽资窃阱F面上加工，為了保證加工的穩(wěn)定性，選取最小值。

此外，還要注意在鉆削時(shí)，鉆頭是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，所以快換鉆套的削邊應(yīng)該是逆時(shí)針旋出，這樣可以避免鉆頭將導(dǎo)套旋出。

最終由于法蘭零件形狀特殊，需要進(jìn)一步改進(jìn)鉆套，以避免鉆套無法在法蘭夾緊的狀態(tài)下取出。

綜上所述，鉆套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鉆套結(jié)構(gòu)圖

2.5 夾緊裝置

夾緊裝置一般由三部分組成：動(dòng)力裝置、夾緊元件、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其作用是防止工件因受到加工過程中產(chǎn)生的切削力、重力等作用力而產(chǎn)生位移、振動(dòng)等現(xiàn)象。詳情如圖6所示。

圖6 夾緊裝置

在設(shè)計(jì)夾緊裝置時(shí)要注意：（1）在夾緊工件的過程中，工件不能因受夾緊力作用而偏離定位要求；（2）夾緊裝置要操作簡單方便，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速夾緊；（3）夾緊力方向與切削力方向一致，且夾緊力大小適度。

這里選用螺旋式夾緊機(jī)構(gòu)。但由于螺旋式夾緊機(jī)構(gòu)容易在夾緊過程中帶動(dòng)工件一起旋轉(zhuǎn)，而且在實(shí)現(xiàn)快速夾緊方面也有欠缺，所以將普通的夾緊機(jī)構(gòu)與壓塊結(jié)合，這樣在夾緊過程中螺桿旋轉(zhuǎn)而壓塊不轉(zhuǎn)動(dòng)，而且通過抽放壓塊可以實(shí)現(xiàn)快速夾緊功能。

3 結(jié)束語

隨著科技不斷發(fā)展，機(jī)械制造領(lǐng)域的生產(chǎn)設(shè)備也不斷革新發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)效率更高、經(jīng)濟(jì)性更好的工藝。作為該行業(yè)的從業(yè)人員，不應(yīng)故步自封，要不斷創(chuàng)新、不斷探索，方得始終。