車床主軸箱夾具改進(jìn)探究

莫持標(biāo)

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門 529090）

0 前言

車床主軸箱是車床的關(guān)鍵零件之一，加工精度高、工藝復(fù)雜是其加工過程中的主要特點(diǎn)。車床主軸箱夾具中，工件定位面、定位孔的選取、夾緊點(diǎn)的設(shè)定等工藝很重要，對(duì)提高主軸箱的加工精度起著重要的作用，這些要素設(shè)計(jì)得合理與否對(duì)這類箱體零件的輸送、到位、夾緊、離開及加工尺寸的工藝能力保證等都起著決定性的作用。

圖1是車床主軸箱零件簡圖，要提高和保證其加工精度，夾具是重要的保障措施之一。

1 傳統(tǒng)車床主軸箱夾具的特點(diǎn)

圖2是車床主軸箱零件開始工序粗基準(zhǔn)選擇時(shí)對(duì)應(yīng)的專用夾具，直接以主軸孔為粗基準(zhǔn)在專用夾具上定位[1]。

圖3是主軸箱在中小批生產(chǎn)時(shí)，以箱體底面導(dǎo)軌B、C面為基準(zhǔn)定位，此時(shí)符合基準(zhǔn)重合原則，沒有基準(zhǔn)不重合誤差。加工時(shí)，箱體開口朝上，便于安裝調(diào)整、觀察測量。但加工箱體中間壁上的孔時(shí)，需要加中間導(dǎo)向支承。由于結(jié)構(gòu)的限制，中間導(dǎo)向支承只能采用掛架方式，每加工一件需要裝卸一次，吊架與夾具之間雖有定位銷定位，但剛度較差，經(jīng)常裝卸也容易產(chǎn)生誤差，且使輔助時(shí)間增加，生產(chǎn)率低。

在大批量生產(chǎn)中，按基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，采用頂面及兩個(gè)銷孔（一面兩孔）作為定位基面，夾緊力垂直夾緊。這種定位與夾緊方式，加工時(shí)箱體朝下安裝，如圖4所示。這時(shí)中間導(dǎo)向支承可以緊固在夾具體上，解決了掛架方式的問題，工件裝卸方便，易實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是存在基準(zhǔn)不重合誤差，且加工過程不方便觀察。

以上是車床主軸箱普通實(shí)用的傳統(tǒng)夾具。它限制工件的六個(gè)自由度，其特點(diǎn)是定位與夾緊方便、可靠，但定位精度不較高，有局限性。隨著車床制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，產(chǎn)品加工要求的不斷提高，傳統(tǒng)主軸箱夾具不能滿足加工精度越來越高的要求，需要對(duì)傳統(tǒng)主軸箱夾具進(jìn)行多方面的改進(jìn)。

圖1 車床主軸箱體

圖2 以主軸毛壞孔為粗基準(zhǔn)的箱體夾具

2 車床主軸箱加工夾具的改進(jìn)途徑

2.1 工件定位面與支承點(diǎn)的改進(jìn)

在切削加工中，箱體零件的定位基準(zhǔn)有兩種：粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)。理想的工件定位是以三點(diǎn)來確定一個(gè)面，但有時(shí)往往這三個(gè)支承點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)直角三角形，很難達(dá)到等腰三角形的理想形狀。一般情況下，人們往往認(rèn)為加工面只要用一把平面銑刀加工后，其加工面就是一個(gè)平面。實(shí)際上，由于加工中，銑刀的起始、終結(jié)位置在受力上的差異，主軸精度的高低、加工材料的彈性變形存在局部差異等因素的影響，加工面的平面度及平面縱橫直線度都會(huì)有一定的誤差。如果以四點(diǎn)來定位一個(gè)平面，往往會(huì)導(dǎo)致定位時(shí)，其中一點(diǎn)是有間隙的。在夾緊過程中，夾緊的浮點(diǎn)以對(duì)角形式出現(xiàn)，造成加工中的部分尺寸出現(xiàn)不同程度的變化。為此，可在箱體底平面定位時(shí)，粗基準(zhǔn)采用四點(diǎn)定位，因此時(shí)加工尺寸的公差值相對(duì)大一些，一般容易滿足加工精度要求；而精基準(zhǔn)則采用三點(diǎn)定位，表面看似乎是四點(diǎn)定位，實(shí)際上有兩點(diǎn)是通過浮動(dòng)式的夾具結(jié)構(gòu)確定另一點(diǎn)，如圖5所示，達(dá)到定位面四點(diǎn)均無間隙。粗、精基準(zhǔn)的另外一種定位方式采用四點(diǎn)定位，但是定位方式是三點(diǎn)硬，一點(diǎn)采用輔助支承來達(dá)到定位大平面的效果，此時(shí)輔助支承不限制自由度。

圖3 吊架式箱體專用夾具示意圖

圖4 用箱體頂面及兩銷孔定位的專用夾具示意圖

切削加工中，用同一牌號(hào)的銑刀盤切削加工，如果大平面的平面度不好，因誤差復(fù)映，往往加工中的每一個(gè)零件幾乎都是同一種狀態(tài)，即大平面的高點(diǎn)總是高點(diǎn)，低點(diǎn)總是低點(diǎn)，而采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)與輔助支承支撐其底平面時(shí)，其加工尺寸的趨勢(shì)也就能達(dá)到同一趨勢(shì)，保證加工尺寸的穩(wěn)定性[2]。

2.2 工件定位孔尺寸的變化

定位孔尺寸大小的設(shè)定，直接關(guān)系到箱體零件的加工精度，也關(guān)系到工件裝夾是否方便。車床主軸箱體類零件的輸送與加工定位一般多采用一面兩銷來定位。隨著車床制造技術(shù)的不斷提高，產(chǎn)品加工精度的提高及工件在專機(jī)線上輸送速度的加快，從而產(chǎn)生一對(duì)矛盾：在零件加工定位時(shí)，為了提高加工精度，工件定位孔的孔徑與定位銷的配合間隙越小越好，而零件在專機(jī)線上進(jìn)出定位銷時(shí)及工件在加工裝卸過程中，定位孔與定位銷的尺寸配合間隙越大越方便，零件進(jìn)出定位銷能達(dá)到進(jìn)出自如。

圖5 浮動(dòng)式支承

工件定位孔的改進(jìn)就是提高孔的精度。車床箱體定位孔的制造尺寸從直徑（16+0.043）mm提高到（16+0.021）mm，定位精度有明顯提高，公差0.021 mm的銷孔尺寸變化一般能滿足加工中的各種技術(shù)要求。

2.3 夾緊力的變化

（1）銷孔孔徑的變化，傳統(tǒng)的夾緊方式加工，會(huì)出現(xiàn)加工尺寸精度上的差異。在專機(jī)線加工或CNC加工中心加工，前者兩孔一般采用兩把刀具，后者兩孔使用一把刀具。CNC加工中心加工，用一把刀具加工兩只定位孔，其孔徑幾乎一樣，定位時(shí)沒有兩孔之間的誤差造成的轉(zhuǎn)角誤差，只有銷子與銷孔的配合間隙造成的轉(zhuǎn)角誤差。而在專機(jī)線加工刀具的選擇上，當(dāng)只要滿足加工要求時(shí)，都認(rèn)為可行。以直徑（16+0.021）mm銷孔為例，從工藝上說一把刀具加工尺寸為直徑16 mm，另一把刀具加工尺寸為16.021 mm，均屬滿足條件。兩孔的最大偏差量為0.021 mm，即兩孔之間的誤差會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差。

（2）改變夾緊方式。在精加工中可采用新的夾緊方式來提高零件的加工精度。在精加工夾具的夾緊點(diǎn)設(shè)計(jì)上，除了垂直方向的夾緊力外，側(cè)面增加一個(gè)側(cè)壓力，使定位銷與定位孔實(shí)現(xiàn)同側(cè)接觸（如圖6（a））。這樣就大大降低了定位銷孔尺寸偏大對(duì)零件加工尺寸精度的影響，同時(shí)可保證箱體零件孔與孔之間的相互位置精度要求。

3 箱體夾具加側(cè)壓力前后零件加工情況對(duì)比

上面的車床箱體零件（圖1），在CNC上加工，鉸刀使用同一把鉸刀，加工孔徑幾乎相等。設(shè)其兩銷孔孔距為L=（560±0.08）mm，兩直徑（16+0.021）mm的定位銷孔，圓柱銷尺寸為直徑15.993 mm，菱銷直徑為15.988 mm，當(dāng)夾具沒有側(cè)面壓緊力時(shí)，定位時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)最大值的轉(zhuǎn)角誤差（圖6b），即兩定位孔反向位移，其最大值為[1]：

其中：X1max=D1max-d1min，X2max=D2max-d2min。

實(shí)際上，工件還可能向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，真正的轉(zhuǎn)角誤差應(yīng)為±△β，即±11.23″。

當(dāng)采用側(cè)面加一側(cè)壓力時(shí)，從圖6可知，兩種夾緊方式都有定位誤差，但是轉(zhuǎn)角誤差就不一樣了。采用側(cè)面夾緊力以后（圖6（a）），兩定位孔同向位移，轉(zhuǎn)角誤差為:

當(dāng)采用側(cè)面加一側(cè)壓力時(shí)，轉(zhuǎn)角誤差很小，且不能向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只占沒有施加側(cè)壓力的4.3%。

若兩定位銷孔的尺寸改為直徑16.043 mm，兩定位銷的直徑保持不變，按上述過程重新計(jì)算，得：

α′=19.34″；

β′=0.96″。

圖6 轉(zhuǎn)角誤差

可以看出，兩定位銷孔尺寸從直徑16.021 mm增大到16.043 mm時(shí)，當(dāng)沒有施加側(cè)壓力時(shí)，工件最大轉(zhuǎn)角誤差明顯增大，而施加側(cè)壓力時(shí)，轉(zhuǎn)角誤差不變，此時(shí)工件移動(dòng)定位誤差會(huì)變大。

從側(cè)面加一側(cè)壓力后，最有效的是消除了定位銷孔一側(cè)的側(cè)面間隙，大大降低了加工中的轉(zhuǎn)角誤差，提高了零件的加工精度。側(cè)面加壓緊力與不加壓緊力，其轉(zhuǎn)角誤差，一種幾乎是恒定的，是最小值；另一種是動(dòng)態(tài)的，可能出現(xiàn)最大值，也可能為零，故產(chǎn)品的工藝能力明顯不一樣。

箱體工件定位夾緊時(shí)，采用側(cè)面另加壓緊力，對(duì)提高尺寸精度是一條有效的措施，實(shí)用且可靠。

4 結(jié)束語

車床主軸箱體零件隨著車床的產(chǎn)品精度不斷提高，零件的尺寸控制也須相應(yīng)提高，故要達(dá)到產(chǎn)品的加工要求，所對(duì)應(yīng)的夾具也要不斷進(jìn)行創(chuàng)新。通過夾具的改進(jìn)，可有效提高加工精度，突破傳統(tǒng)主軸箱夾具的局限性，從而較好地滿足車床產(chǎn)品精度提高的要求，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低成本的不斷進(jìn)步，這也是主軸箱體零件加工中夾具設(shè)計(jì)的與時(shí)俱進(jìn)。

［1］李華.機(jī)械械制造技術(shù)（修訂版）［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］吉祺煒.發(fā)動(dòng)機(jī)箱體零件加工的定位與夾緊［J］.汽車制造業(yè)，2006（5）：60-62.