加工Φ150偏心球腔專用夾具的設計

摘 要：高精度偏心零件在數控車床上加工是個難點，特別是批量生產時，除對工人的操作技術要求特別高之外，如果不采用夾具及其他輔助裝置，也很難保證加工質量，鑒于此，現在就以下面的零件為例，采用偏心分度回轉夾具加工偏心零件，從而達到提高加工精高和加工效率，大大降低對操作人員技能等級的要求，該夾具能夠滿足加工的定位夾緊要求，結構簡單緊湊，具有良好的加工工藝性和經濟性。

關鍵詞：夾具；車削；偏心

一、引言

對于一般的偏心零件，如偏心軸或有一兩個偏心孔的零件采用四爪單動或三爪自定心卡盤墊塊的方法，一般可以達到加工精度要求。但對于車削零件上有（見圖1）四個精度要求較高的偏心球腔，無論是單件小批生產，還是批量生產，若采用一般的找中心方法很難滿足加工精度要求，且還增加了加工的難度。因此，以提高圖1加工精度及加工的效率為出發點，設計出了加工該零件的專用數控車床夾具，該夾具具有偏心分度回轉功能。每加工一個偏心球腔時，保證偏心球腔的中心與主軸軸心線重合度達到最高理想狀態，并加平衡塊調整以保證工件和主軸回轉的穩定性。對于該偏心分度回轉裝置夾具的具體設計及方法見下文所述。

二、零件分析

該零件是由兩個零件1和零件2組成的配合件，即零件圖3。該零件1和2在圓周上均布四個SΦ40的球腔，各球相對與基準孔的位置公差要小于或等于0.1mm，表面粗糙度值Ra=1.6μm，零件1上以工件中心為基準86mm為直徑上有兩個M10的螺紋孔，在零件2上相對有兩個直徑為11mm的孔，同時在每個球腔中心有一個M12的螺紋。工件材料均為45剛。粗精車Φ150mm外圓和Φ20內孔、倒角2X45、長度30mm。

如果采用普通車床上加工很困難，需要用四爪卡盤或花盤裝夾而且很難校正，更重要的是四個球腔圓度及表面質量很難能保證，如果再設計專用夾具加工球腔，以保證球腔達到圖紙要求，這樣成本就很高，精度也很難保證，經分析設計專用夾具在數控車床上編程粗精加工，不僅能保證精度，效率也很高，刀具價格低，同時也能達到表面粗糙度等的要求，也適合我校現有教學設備的情況。

三、夾具結構分析

夾具設計原理是使待加工的球面的軸心與主軸同軸，為此設計專用夾具，該夾具分兩大部分：（1）偏心分度盤。（2）夾具體。

1.偏心分度盤

偏心分度盤的設計原理是通過分度盤使待加工的球面的軸線與主軸軸線重合，故需把基準定位銷的軸線準確平行偏移一個距離，即偏心距。如圖4所示。

分度盤結構：分度盤的直徑是340 mm，厚度是30 mm，在分度盤中心向上平移一個偏心距（即工件中心到球心的距離），加工好一個M18的螺紋孔，是用來裝圓柱心軸的，以該分度盤為中心，向上偏移147mm有個螺紋孔，該螺紋孔是用于裝螺紋定位銷，定位銷的作用是準確定位夾具的位置。以分度盤為中心，150 mm為半徑均布有3個Φ14的通孔，用于把分度盤裝夾在車床花盤上。把分度盤裝在花盤上，再用百分表校正外圓和端面，使其跳動在0.02 mm內。

分度盤固定在花盤上是相對不動的，但因定位銷與夾具體有相對轉動，所以必須對該分度盤采取熱處理，以增加定位銷的耐磨性，或者在定位銷上加襯套，襯套與定位銷相對固定不動，只要更換襯套就能直接使用。

2.夾具體

如圖5所示，該夾具是盤狀體，夾具的大徑為230 mm，總厚度為50 mm，中心有一個直徑為20 mm的基準孔，該孔與分度盤上的定位銷軸連接，以該孔為基準，以直徑為150 mm，壁厚為18 mm的圓環套，該圓環套上均布有4個M10的螺栓，用于固定工件；以中心為基準104 mm為半徑上均布有4個直徑為Φ10 mm的通孔，這四個孔與分度盤上的定位銷相對。

把工件裝入夾具體的圓環套中采用Φ150+0.02間隙定位配合，該配合中零件可自由裝拆，用四個螺栓緊固，而加工該零件時，工件和夾具體相對靜止不動，以利于刀具在加工偏心球面時，更好地保證該球面的尺寸精度

當完成第一個球面加工后，拆松下工件中心上的緊固螺栓，拔出開口墊片，以夾具體上的基準孔為中心，將夾具體旋轉90°，使夾具體上的孔與定位銷準確定位，然后再裝上開口墊片并緊固螺母，準確定位加工第二個均布球面，從而保證球面的徑向等距和圓周均布的位置精度要求。如圖6所示。

由于每加工完一個球腔后，都要拆松螺母，旋轉夾具體，然后夾緊，因此夾具體的中心孔與分度盤的銷軸之間有相對摩擦，必須對其進行熱處理，增強耐磨性，否則損壞嚴重。

四、裝配及平衡

裝配步驟：

1.把分度盤裝在花盤上，用百分表校正，使其跳動在0.02 mm范圍內，再用三副M14的螺栓夾緊固定。

2.把夾具體裝在分度盤上，用定位銷定位。

3.把工件裝在夾具體的圓環套上，用螺栓把其夾緊，再鎖緊銷軸上的螺母，從而夾緊整個夾具體。

4.編程粗精加工第一個半圓球面至圖紙要求后拋光表面。

5.拆下夾具體上M16的螺母，以銷軸為旋轉點，將夾具旋轉90°，使定位銷與夾具體上的孔準確配合，再用螺母夾緊，車削第二個半圓球面，第三、第四個半圓球面依此類推。

裝配后的圖（含工件）如圖7所示。

平衡：

平衡對于非對稱旋轉夾具是非常重要的，它影響設備的壽命和操作者的安全，也影響工件的質量和加工效率，所以必須對此裝置進行平衡裝夾，以保證加工平穩性。在確定配重塊的重量時，可用隔離法近似地估算，這種方法就是把工件及夾具沙鍋內的各個元件隔離成幾個部分，相互平衡的各部分可以省略不計，對不平衡的部分按力矩平衡原理確定平衡塊的重量。平衡后如圖8所示。

五、定位誤差分析

為保證圓周均布4個半圓球腔相對與基準孔的等距性和均布性位置要求，必須使定位誤差精度要求。

1.等距定位誤差分析

零件圖樣上允許的分度圓尺寸為（Φ86-0.1）mm，即要求各半球腔與基準孔的等距定位誤差為0.1 mm。用圓柱定位銷定位，這樣各個零件基準孔的孔徑變化會影響零件的等距性，考慮工件裝拆、轉動需要不能使用無間隙配合，故需要進行定位誤差的計算。

定位圓柱采用Φ20g6圓柱銷與基準孔形成Φ20H7/g6小間隙定位配合，其定位誤差：

△定=+0.021-（-0.02）=0.041 mm<0.1 mm

所以采用Φ20H7/g6配合滿足等距性要求。

2.均布性定位誤差分析

零件圖樣允許的個球腔和相對基準空的位置度公差要求是Φ0.1 mm，要求各球腔間的實際軸線位置與假想理論軸線位置不能相差0.1 mm，影響均布性的誤差有幾個：（1）工件與夾具體的配合誤差△定1；（2）夾具體基準孔與圓柱銷軸的誤差△定2；（3）夾具體與螺紋定位銷之間的誤差△定3。三者定位誤差和不能大于0.1 mm。當工件外徑最小時，夾具體孔最大時，兩者的配合間隙最大，即

△定1=+0.02-（-0.03）=0.05 mm

同樣當夾具體的定位孔最大而定位銷的最小時，配合間隙最大，即

△定3=+0.015-（-0.014）=0.029 mm

則△定=△定1+△定2+△定3=0.05+0.041+0.029=0.12 mm< 0.15 mm

所以該夾具完全滿足要求。

六、零件的加工工藝分析

該類偏心零件采用CKA6150數控車床加工。工藝分析：工件裝夾在夾具體→使用球刀粗加工內球腔→鉆孔→攻螺紋。

使用標準圓弧車刀編程精加工（編程中需要用G41指令做圓弧半徑補償，否則加工出來的圓不是正圓）。

對于該類偏心零件的加工采用以上夾具能很好地提高加工精高和加工效率，大大降低對操作人員技能等級的要求，同時該夾具滿足加工的定位夾緊要求，結構簡單緊湊，具有良好的加工工藝性和經濟性。針對類似零件的結構和加工特點，采用普通加工精度的通用數控車床加工，無論是單件生產還是批量生產，設計此類夾具能最大限度地提高機械加工的工藝性和經濟性。

參考文獻：

[1]李慶壽.機床夾具設計[M].機械工業出版社，1984.

[2]楊峻峰.機床與夾具[M].清華出版社，2005.

編輯 魯翠紅