一種車錐形薄壁工件簡(jiǎn)易夾具的設(shè)計(jì)

陳超勇 付雨霞 江秋紅

摘? ? 要：本文介紹一種使用普通機(jī)床自身主軸內(nèi)錐面作定位的簡(jiǎn)易工裝車夾具。該工裝車夾具主要應(yīng)用于加工外表面為錐形、薄壁這種機(jī)械性能要求高的工件。

關(guān)鍵詞：機(jī)床主軸;定位;薄壁;軸向力;徑向力;變形

中圖分類號(hào)：TG75? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper mainly introduces a simple fixture which is located by the lathe spindle inner taper configuration and precision of the ordinary machine tool. The fixture is mainly applied to workpieces difficult to machine， such as the overall outer surface is tapered with thin wall， parts of high mechanical performance requirements not to be processed in place at one time， and the geometric tolerance requirement is strict， which will cause clamping distortion and cutting distortion.

Key words： Machine tool spindle; Locating; Thin wall; Axial force; Radial force; Distortion

1? ? ?前言

發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力的源泉，根據(jù)燃料介質(zhì)不同分為：汽油機(jī)、柴油機(jī);氣體機(jī)。其中，四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有扭矩大、壓縮比高、熱效率高、燃油消耗低、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，并且供油系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性較汽油發(fā)動(dòng)機(jī)好，在各行業(yè)中占有舉足輕重的地位，被廣泛應(yīng)用于物流裝運(yùn)機(jī)械、生產(chǎn)機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、工程機(jī)械和發(fā)電機(jī)組設(shè)備及其它各種通用機(jī)械領(lǐng)域。

四沖程柴油機(jī)的工作循環(huán)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣這四個(gè)過(guò)程來(lái)完成的。在這個(gè)工作循環(huán)中，活塞在氣缸內(nèi)完成四個(gè)沖程，同時(shí)進(jìn)排氣閥隨著活塞的不斷往返運(yùn)動(dòng)而有規(guī)律地打開和關(guān)閉，最終通過(guò)在氣缸燃燒室中燃燒混合好的燃料把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)能輸出，從而完成一個(gè)做功過(guò)程。在這個(gè)做功過(guò)程中，進(jìn)排氣閥門組件是否能正確開合直接決定了柴油機(jī)是否能完成做功循環(huán)。而在進(jìn)排氣閥門組件當(dāng)中，鎖夾是一個(gè)相當(dāng)重要的零件，其通過(guò)一套完整的傳動(dòng)鏈關(guān)聯(lián)著進(jìn)排氣閥門的打開和關(guān)閉，控制著整個(gè)發(fā)動(dòng)是否能正常運(yùn)行?；阪i夾在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要性及其形狀的特殊性，下面以其為實(shí)例，著重介紹此類工件的加工工藝碼夾問(wèn)題。

2? ? ?鎖夾的結(jié)構(gòu)及制造工藝

2.1? ?結(jié)構(gòu)

鎖夾的結(jié)構(gòu)非常特殊，主要體現(xiàn)在壁薄、開邊、外表面為全錐形面、形位公差要求比較嚴(yán)格、必須經(jīng)過(guò)幾次熱處理工藝才能滿足使用條件，所以在機(jī)加工方面是屬于難加工類的零件。

鎖夾在氣閥門組件工作時(shí)，主要是通過(guò)彈簧力的作用串聯(lián)氣門彈簧座和氣門：柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，依靠氣門彈簧往上的彈簧力鎖死進(jìn)排氣閥門，達(dá)到密封氣缸燃燒室的功能，在凸輪軸和齒輪組件、搖臂組件與氣閥組件等聯(lián)合傳動(dòng)鏈的共同作用下，隨氣閥門的打開和關(guān)閉一起做往返運(yùn)動(dòng)，配合各氣缸燃燒室完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒燃料、排氣整個(gè)工作循環(huán)。鎖夾作為控制進(jìn)排氣閥門開合的串聯(lián)件，在整個(gè)工作循環(huán)中都處在受壓沖擊且高溫的環(huán)境中，因此對(duì)零件的材質(zhì)、加工精度及機(jī)械力學(xué)性能等方面的要求都比較高。

我司現(xiàn)有的某機(jī)型鎖夾（見圖1），其材料為35CrMo、外圓錐度為全錐1：4、表面粗糙度為1.6、外圓尺寸公差為h9，形位公差要求整個(gè)外錐面對(duì)內(nèi)孔全跳動(dòng)不超過(guò)0.03 mm、內(nèi)凸圓弧卡位公差要求不超過(guò)0.1 mm;成品要求內(nèi)外表面全部氮化，氮化層深度0.15～0.30 mm，硬度達(dá)到HV550～600，芯部硬度達(dá)到HRC28～32，并對(duì)中分成兩等份配對(duì)使用，是一種典型的外表面全錐形、開邊、薄壁難加工的工件。

2.2? 制造工藝

鎖夾在實(shí)際的制造過(guò)程中，主要以車削工序?yàn)橹鳎簽榱藵M足圖紙的技術(shù)條件，存在的主要問(wèn)題是薄壁且外表面全錐形，容易在制造過(guò)程中產(chǎn)生碼夾變形和車削應(yīng)力變形，特別是R2.5處內(nèi)圓弧面更是難以一次加工到位;其次，要滿足設(shè)計(jì)所需的表面硬度，其芯部支撐層必須要有足夠的硬度，所以只有毛坯經(jīng)粗車后調(diào)質(zhì)方可半精加工，精加工后再進(jìn)行表面氮化處理。

經(jīng)過(guò)多年的的實(shí)踐，制訂了一套比較成熟的工藝流程：棒料粗車（外圓留余2～3 mm）→調(diào)質(zhì)熱處理（硬度要求達(dá)到HRC28～32）→粗車外錐和內(nèi)孔（外錐和內(nèi)孔均留余1～1.5 mm）→二次低溫?zé)崽幚砣コ邢鲬?yīng)力→精車外錐和內(nèi)孔（外錐留磨單邊0.2～0.3 mm，內(nèi)孔精車到尺寸上差）→調(diào)頭精車R2.5內(nèi)圓弧位到圖紙尺寸上差并拋光去銳邊毛刺→精磨外錐到圖紙尺寸上差→清洗并去除銳邊及毛刺→真空爐離子氮化（氮化層深度0.25～0.35 mm，硬度要求達(dá)到HV570～600）→精光外錐和內(nèi)孔并終檢尺寸→線切割對(duì)等分邊→終序檢查清洗包裝成品。此生產(chǎn)工藝主要是為了避免加工過(guò)程中出現(xiàn)的切削應(yīng)力變形和碼夾變形，經(jīng)過(guò)多次的試制并跟蹤分析，最終得出必須經(jīng)過(guò)三次熱處理才能最終達(dá)到圖紙和使用需求。

制造工藝存在的關(guān)鍵問(wèn)題在于：因?yàn)橐ＷC支撐層有足夠的芯部硬度，必須先開粗調(diào)質(zhì)后才能半精車，而為了避免切削變形只能在二次低溫?zé)崽幚硐邢鲬?yīng)力后才能精車，所以既要防止當(dāng)序因壁薄而引起的碼夾變形，又要消除后序因車削而引起的應(yīng)力變形，而且工件在半精車成型后外表面為全錐面，因?yàn)橹c(diǎn)壁薄而不能直接碼夾，碼夾力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致工件直接變形，碼夾力不夠又容易引起工件在切削過(guò)程中飛出掉落。因此，綜合各方面因素，并經(jīng)過(guò)多次試制完善，最終設(shè)計(jì)了一套專門用來(lái)車削像鎖夾這類全外錐面、壁薄、技術(shù)要求高的零件的工裝夾具。該夾具充分利用普通車床自身主軸內(nèi)錐面的結(jié)構(gòu)和精度來(lái)定位，利用夾具把碼夾的徑向力轉(zhuǎn)化為軸向力，從而解決了加工此類零件易變形、碼夾困難的問(wèn)題，簡(jiǎn)單實(shí)用，投入成本低，工人操作方便，效率明顯提高。

3? ? 夾具設(shè)計(jì)

如上所述，存在的問(wèn)題主要集中在兩個(gè)方面：一是零件必須要經(jīng)過(guò)多次熱處理，而不能像一般的復(fù)雜零件可以利用先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備一次性加工成型;二是因零件的外表面是全錐形且為薄壁，不能通過(guò)常規(guī)的簡(jiǎn)單碼夾零件外表面來(lái)進(jìn)行加工，因此如何解決這兩個(gè)方面的問(wèn)題是關(guān)鍵所在。

根據(jù)零件的使用要求和形狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，綜合考慮了操作工人技能、現(xiàn)有設(shè)備精度、刀具成本等各方面因素，最終確定利用現(xiàn)有的普通C6132A1型車床，專門設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的車床夾具，如圖2所示。

根據(jù)零件圖紙的要求，該車夾具主要是用來(lái)完成零件最終的精加工工序，直接利用車床主軸內(nèi)錐面本身的結(jié)構(gòu)和精度，通過(guò)機(jī)床配備的附件錐度轉(zhuǎn)換套來(lái)定位，將夾具體1直接裝配在附件錐度轉(zhuǎn)換套的內(nèi)錐面上，充分利用錐度配合精確緊密的特性，避免了用其它夾盤等工具多重碼夾所引起的累積誤差，同時(shí)把碼夾力由徑向力轉(zhuǎn)變成通過(guò)端面的軸向力，避免了因碼夾力而產(chǎn)生的變形：

（1）選定一臺(tái)精度較好的C6132A1型普通車床，該車床主軸跳動(dòng)在0.01～0.02 mm范圍內(nèi);且該車床的附件（錐度轉(zhuǎn)換套）內(nèi)外錐精度保養(yǎng)完好，轉(zhuǎn)換套安裝在主軸內(nèi)錐孔上，測(cè)量跳動(dòng)也保持在0.01～0.02 mm范圍內(nèi);

（2）綜合考慮制造的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，夾具體1部分選用了40Cr材料，通過(guò)開粗調(diào)質(zhì)加最終表面氮化處理的熱處理工藝，來(lái)保證芯部支撐層的硬度和韌性以及內(nèi)外錐度部分的表面高硬度;在制造過(guò)程中，夾具體1尾部的莫氏4#錐必須和機(jī)床附件（錐度轉(zhuǎn)換套）的莫氏4#內(nèi)錐磨配，紅丹著色檢查兩錐面的接觸面積不得低于80%且大頭稍為重色，以保證夾具在安裝拉緊后能精確緊密配合;夾具體1頭部?jī)?nèi)錐為1：4錐面，與鎖夾零件圖紙外錐要求一致;加工時(shí)先半精加工，留余0.3～0.5 mm，在夾具體1尾部錐度和錐度轉(zhuǎn)換套磨配好整體安裝在機(jī)床主軸上后，再進(jìn)行精加工到位（最終尺寸以零件安裝在夾具體上，零件大端端面凸出夾具體頭部端面2～3 mm為宜），從而消除了分離加工所引起的累積誤差，確保了夾具整體的精度;鎖母等其它件的制造，主要根據(jù)操作工人的使用習(xí)慣，本著簡(jiǎn)單實(shí)用的宗旨而制造。夾具體頭部的螺紋與鎖母的螺紋，考慮到鎖緊力和裝拆零件的方便宜采用細(xì)牙螺紋，且有效長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng);

（3）在夾具所有零件制作完成后，進(jìn)入最后的驗(yàn)證階段。首先把選定機(jī)床的主軸孔、附件錐度轉(zhuǎn)換套及夾具體清理干凈，確保三者各錐面沒(méi)有異物殘留和毛刺凸起;然后按順序把錐度轉(zhuǎn)換套、夾具體安裝在車床床頭箱主軸孔內(nèi)，并用拉緊螺桿拉緊夾具體，確保機(jī)床主軸、錐度轉(zhuǎn)換套、夾具體三者的精確緊密配合;最后開動(dòng)機(jī)床，用千分表測(cè)量夾具頭部1：4內(nèi)錐面的全跳動(dòng)，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速560 r/min時(shí)內(nèi)錐面全跳動(dòng)在0.02～0.03 mm之間、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速1 120 r/min時(shí)內(nèi)錐面全跳動(dòng)在0.015～0.025之間，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求;

（4）在零件切削加工過(guò)程中，把半精加工后的零件清理好銳邊直接放到夾具體一端的內(nèi)錐上，通過(guò)錐面配合來(lái)定位，然后擰緊鎖母鎖緊工件端面，把碼夾的徑向力轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向力;在加工工件時(shí)，機(jī)床床頭箱主軸直接帶動(dòng)了夾具體及零件一起轉(zhuǎn)動(dòng)，簡(jiǎn)單實(shí)用，既保證了工件的加工質(zhì)量，又大大的提高了生產(chǎn)效率。

4? ? ?結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些有特殊要求的零件，它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是整體精度要求都比較高，外表面是整個(gè)錐形，零件的腔壁都非常薄容易引起碼夾變形，都要經(jīng)過(guò)幾次熱處理才能滿足使用需求，且因圖紙的技術(shù)要求和工藝流程的需要而不能利用數(shù)控機(jī)床一次性裝夾而加工成型。對(duì)于此類零件，我們都可以應(yīng)用上述的工裝夾具原理來(lái)輔助加工，其要點(diǎn)就是用經(jīng)過(guò)粗加工的外錐來(lái)直接定位，把碼夾的徑向力轉(zhuǎn)化為軸向力，從而減少變形，最終達(dá)到圖紙的技術(shù)要求。

該夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便，制造成本低，生產(chǎn)效果顯著。該工裝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公司230系列、G26系列等機(jī)型的鎖夾的實(shí)際生產(chǎn)中，有效的控制了廢品率，提高了生產(chǎn)效率。該夾具的應(yīng)用，對(duì)今后實(shí)際生產(chǎn)中類似零件的加工具有重要的參考價(jià)值。

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