一種清潔型薄壁異型件夾具設計*

邢圓圓，賀辛亥，董紅坤，程稼稷，張志毅

(西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048)

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一種清潔型薄壁異型件夾具設計*

邢圓圓，賀辛亥，董紅坤，程稼稷，張志毅

(西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048)

摘要：對薄壁異型件夾具進行了設計。充分考慮到薄壁零件剛度低，加工工藝差的特點，針對零件的特殊要求，提出了相應的定位和夾緊方案。通過Pro/ENGINEER軟件環境下對零件和夾具進行了三維模型設計，使得該夾具的設計直觀化。并通過對其定位誤差和夾緊力的理論計算分析，證明該設計能夠滿足此薄壁零件的加工工藝要求。

關鍵詞:薄壁異型件夾具設計定位誤差夾緊力

眾所周知，工裝夾具是工藝裝備的重要組成部分，是工藝過程中最活躍的因素之一，并直接影響產品的質量，生產效率及加工成本[1-2]。在機床夾具中，專用夾具的設計過程是一項周期長，投資較大并且其結構隨著產品的更新而變化的過程，薄壁異型件由于其剛度低，易變形的特點[3]，設計一種薄壁異型件的專用夾具就顯得尤為重要。針對異形件的獨特性，專用夾具的針對性強，結構緊湊，操作方便迅速的優點使得在加工中專用夾具得到廠家的青睞。本文即是設計了一種保證薄壁異型件在加工過程中不受切削熱和鐵屑的影響，達到一種清潔型的目的夾具。

1加工工藝分析

薄壁零件如圖1所示，材料為鋁合金。鋁合金薄壁件剛度低，加工工藝性差是本工序的加工難點。本工序要求去掉紅色輔助定位凸臺，加工時零件加工精度TA如圖1(b)所示在±0.1 mm范圍內且切屑不能進入零件內部。從零件形狀及材料分析，采用端面銑削方法；從精度要求分析，其要求相對較低，加工步數可相對減少；從排屑的特殊要求分析，運用覆蓋加工法進行加工[3]。

銑削加工時切削用量和切削力較小，而且是連續切削，因此產生的沖擊和振動也較輕[4]，所以本次專用夾具設計主要考慮工件夾緊的可靠性。

(a)薄壁件三維實體圖　　　　(b)薄壁件的側視圖圖1　薄壁件三維實體圖和薄壁件的側視圖

2夾具的結構

經過對加工零件的工藝分析和研究，本文設計出了一套專用夾具，該夾具的三維結構示意圖如圖2所示。

(a)夾具的剖視圖　　　　　　　(b)夾具的剖視圖11.壓板；12.移動柱塞；13.彈簧；14.墊塊；15.旋轉定位銷；16.輔助支撐釘；17.定位板；18.密封墊片；19.弧形V型塊；20.導向塊。圖3　夾具的剖視圖

薄壁零件在夾具里通過弧形V型塊19，窄定位板16完成空間六個自由度的完全定位?？紤]到薄壁件的空間形狀以及加工難度故增加輔助支撐釘17用以輔助定位夾緊。用過偏心輪夾緊機構10和螺旋夾緊機構1對零件夾緊。由于對零件變形度要求較高，因此在夾具工作過程中從吹氣孔8一直持續以固定流速向夾具體里吹冷氣，減小因加工而產生的熱變形。此外夾具結構還包括旋轉臺3、墊塊14、導向塊20等部分。

3夾具定位夾緊分析計算

3.1夾具定位精度分析計算

定位誤差是由于工件在裝夾過程中定位不準確引起的加工誤差。引起定位誤差的原因有兩個：一是由于定位基準與工序基準不重合，叫基準不重合誤差ΔB；另一個是由于定位基準在夾具中定位不一致，叫定位基準位移誤差ΔY。定位誤差ΔD是二者的綜合，可表示為[2](以下精度分析都是在考慮誤差最大和最差的情況下進行的)：

ΔD=ΔY±ΔB[5]

(1)

弧形V型塊產生的移動誤差計算如下

=0.31

(2)

式中：R——薄壁零件直筒部分外部半徑的基本尺寸(mm)；

R1、R2——薄壁零件直筒部分外圓最大、最小極限偏差(mm)；

d1、d2——弧形槽弧形上、下極位點尺寸(mm)。

基準不重合誤差計算如下：

ΔBV=2×51.5×sin0.025=0.044

(3)

定位板產生的移動誤差為：

ΔYP=0

(4)

定位基準與工序基準不重合誤差為：

ΔBP=2×51×sin0.025=0.044

(5)

將兩個定位元件產生的定位基準投影到工序尺寸方向，其代數和即為定位誤差[6]，可得：

ΔD=(ΔYV×cos18.5×sin9.3-ΔBV)+ΔBP

=0.047

(6)

綜合公式(1)-(6)有：

(7)

分析可見精度能夠達到要求。

3.2夾具主要部分的夾緊力分析計算

精確計算夾緊力比較困難，但為確保夾具設計的合理、可靠仍然要對所需的夾緊力盡可能的估算[7]。經過查手冊得到切削力Fs為10.7N。其加工為端面銑，因此工件受力偶矩，靜力平衡時為一空間力偶系。

采用BILZ提供的算法，計算得切削扭矩為：

(8)

式中：d為加工面最大直徑，a為切削寬度(mm)。

由空間力偶系平衡方程[8]得出：

(9)

∑My(F)=F1×6+F2cos69.7×50.2-→

←Mcos57.5=0

(10)

式中：F1為槽型V型塊夾緊部分夾緊力(N)；F2為輔助定位部分夾緊力(N)；D為零件直筒部分外直徑半徑(mm)；l為壓板11尺寸(mm)；μ為摩擦系數，這里取0.25。

綜合公式(8)(9)(10)就得：

F1=2.7N

(11)

F2=0.7N

(12)

計算出理論夾緊力F，再乘以安全系數K，作為實際所需夾緊力F0。即：

F0=KF[9]

(13)

式中：F0——實際所需的夾緊力N；

F——按力的平衡條件計算出的夾緊力N；

K——安全系數。根據生產經驗，一般取 1.5～3，因薄壁件剛度差，這里取1.5。則實際夾緊力：

F10=4.05N

(14)

F20=1.05N

(15)

3.3偏心杠桿夾緊裝置夾緊力的分析計算

螺旋夾緊機構在垂直方向上的分力為[10]：

F′=F20sin29.5cos69.7=0.26N

(16)

則偏心杠桿夾緊裝置夾緊力：

FP=K(F10+ F′)/2=6.5N

(17)

這里K取3。

4總結

1)通過該套夾具的設計解決了同本文介紹的這一類薄壁異型件在機床上難以加工的工藝難題，也為其他的薄壁異型件的加工提供了實際生產經驗。

2)該夾具采用偏心杠桿夾緊機構，保證了工件的定位精度及夾緊強度，同時也大大縮短了加工薄壁異型件零件的裝夾時間。

3)該夾具采用覆蓋加工法，避免了加工后的鋁屑對于薄壁異型件表面的刮傷。

4)該夾具工作過程中從吹氣孔一直持續以固定流速向夾具體里吹冷氣，減小薄壁件因加工而產生的熱變形。

參考文獻

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[9]李慶余,孟廣耀,等.機械制造裝備設計[M].北京：機械工業出版社，2012.

[10]符煒.機構方案設計的創造性構思法[J].現代機械,1995(02)6-10.

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0015-03

基金項目：陜西省科學技術研究發展計劃項目(2013K07-20)；中國紡織工業聯合會科技指導項目(2015116)。

作者簡介：邢圓圓(1990-)，男，漢族，湖北隨州市人，在讀碩士研究生，主要從事三維編織機的研發。

通訊作者：賀辛亥(1971-)，男，西安工程大學教授，博士，主要從事復合材料成型技術的研究。

收稿日期：2015-11-18

Design of a fixture for thin-walled special-shaped parts

XING Yuanyuan, HE Xinhai, DONG Hongkun, CHENG Jiaji, ZHANG Zhiyi

Abstract:We designed a fixture for thin-walled special-shaped parts. Considering the low rigidity and poor processing technology of thin-walled parts, we put forward corresponding positioning and clamping schemes. Through 3D modeling of the part and the fixture by Pro/ENGINEER, we visualized the design scheme. By calculating the position error and clamp force, we proved that the design could meet the processing requirements of the thin-walled parts.

Keywords:thin-walled special-shaped part; fixture design; position error; clamp force