異型面鏜孔夾具設計在教學和生產中的應用

[摘 要] 異型面鏜孔夾具的設計、制作、特點和使用，淺析利用異型面鏜孔夾具安裝蝸輪座（箱體）工件，對處在兩個不同加工表面的兩垂直孔進行鏜削加工的應用，以實現在普通鏜床上一次安裝蝸輪座（箱體）工件可同時完成處在兩個不同加工表面、空間中心線不相交的兩垂直孔鏜削功能；另外學生通過參與這套夾具的設計、制作和實際使用，提升了學生分析、研究工藝的能力，學生很受啟發。從而達到加工精度完全滿足圖紙技術要求、加工質量穩定、生產效率提高和教學效果理想的目的。

[關 鍵 詞] T68鏜床；夾具；工件一次定位；教學效果；精度與效率

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）16-0226-05

一、前言

在機械加工過程中，為了保證工件的加工精度，提高工件的加工效率，減輕勞動強度，合理設計、制作和使用夾具非常重要。以校企合作產品——蝸輪座（箱體）工件（如圖1所示）對處在兩個不同加工表面的兩垂直孔進行鏜削加工為切入點（題目）引導高級工班學生設計、制作一套在普通鏜床上一次安裝蝸輪座（箱體）工件（以下簡稱蝸輪座工件），可同時完成處在兩個不同加工表面、空間中心線不相交的兩垂直孔鏜削夾具——異型面鏜孔夾具；學生通過參與這套夾具的設計、制作以及使用，提升了學生分析、研究工藝的能力。

利用這套異型面鏜孔夾具安裝蝸輪座工件，對處在兩個不同加工表面的兩垂直孔進行鏜削加工，解決了鏜削處在兩個不同加工表面、空間中心線不相交的兩垂直孔需要分兩次校正、兩次裝夾或者分別使用兩套夾具安裝，形位精度很難保證、質量不穩定、生產效率低等難題。通過采用這套異型面鏜孔夾具一次安裝蝸輪座工件鏜削處在兩個不同加工表面的兩垂直孔，不但能保證蝸輪座工件中心距尺寸和形位精度能達到圖紙規定的工藝要求，而且產品質量穩定，生產效率明顯提高。

二、校企合作產品——蝸輪座

蝸輪座是我校與順德某紙箱設備機械有限公司合作加工生產的一百多種工件當中的其中一種工件，材料是HT250，每月產量固定，屬于批量加工工件。該工件在前道工序已經完成對六個外形面的加工，本工序是鏜削加工處在不同表面的兩垂直孔。由于兩垂直孔的孔徑尺寸、孔距尺寸以及形位公差等精度直接關系到蝸輪、蝸桿、端蓋的組裝，以及組裝后能否按精度要求正?！绊槙场边\轉，因此在鏜削加工過程中必須保證蝸輪座兩垂直孔的加工精度與加工效率，以確保裝配質量和按合同完成每月生產任務。

三、異型面鏜孔夾具在教學中的應用

（一）高級工班學生參與夾具設計制作的作用、意義

夾具設計與制作是一項“綜合訓練”，涉及的知識面較廣，要求學生有厚實的基礎知識、專業知識和扎實的操作技能；有分析問題、設計繪圖和工藝工裝等能力。

學生通過參與該夾具的設計與制作，可以鞏固、加深所學的專業工藝知識、機械制圖、公差配合與技術測量、金屬工藝學、機械制造工程等專業理論知識和實操技能。

學生通過參與該夾具的設計與制作，并利用該夾具進行校企合作外協產品蝸輪座工件異型面內孔“批量加工”，可提高工廠意識、產品意識、質量意識和成本意識，提升分析、研究工藝的能力，培養創新意識和能力。

（二）鏜削蝸輪座異型面內孔設計制作夾具的理由

1.蝸輪座工件的加工工藝分析

（1）立體劃線，根據圖紙工藝要求采用立體劃線劃出六個外形面的加工位置線（如圖2所示）。

（2）分別加工六個外形面，并達到圖紙規定的技術要求。

（3）鏜削與基準面C垂直的φ46+0.040毫米、φ+0.080毫米和φ84毫米階梯孔，并達到圖紙規定的技術要求。

（4）鏜削與基準面C平行的φ42+0.040毫米通孔，并達到圖紙規定的技術要求。

（5）鉆削4-φ9毫米通孔和4-φ15毫米深15毫米沉孔。

（6）鉆削9-M6螺紋底孔。

（7）攻9-M6內螺紋。

2.鏜削內孔常規方法一

在車床上鏜削蝸輪座異型面內孔：

（1）根據圖紙要求分別在兩個加工面上劃出內孔加工位置線。

（2）四爪卡盤安裝工件，然后分別鏜削φ46+0.040毫米、φ58+0.040毫米和φ84毫米階梯孔，之后卸下工件。

（3）四爪卡盤安裝工件，然后鏜削φ42+0.040毫米通孔。

（4）工件精度檢測。

通過對所鏜削內孔檢測后發現，采用這種方法鏜削的內孔尺寸精度能夠得到保證，但“兩垂直孔”的中心距尺寸和形位精度比較難、甚至無法保證。

3.鏜削內孔常規方法二

在普通銑床鏜削蝸輪座異型面內孔：

（1）根據圖紙要求分別在兩個加工面上劃出內孔加工位置線。

（2）利用壓板、螺栓安裝工件，然后分別鏜削φ46+0.040毫米、φ58+0.040毫米和φ84毫米階梯孔，之后卸下工件。

（3）利用螺栓、壓板安裝工件，然后鏜削φ42+0.040毫米通孔。

（4）工件精度檢測。

通過對所鏜削內孔檢測后發現，采用這種方法鏜削的內孔尺寸精度能夠得到保證，但“兩垂直孔”的中心距尺寸和形位精度比較難、甚至無法保證。

4.鏜削內孔常規方法三

在普通鏜床利用螺栓、壓板校正、夾緊工件進行鏜削加工異型面內孔。加工情況與普通銑床相似，結果也是“兩垂直孔”的中心距尺寸和形位精度比較難，甚至無法保證。

5.采用兩套夾具鏜削內孔

分別采用兩套夾具（如圖3所示）在普通車床上鏜削蝸輪座工件“兩垂直孔”。圖（a）是鏜削φ42+0.040毫米通孔時安裝蝸輪座工件所用夾具；圖（b）是鏜削φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米階梯孔時安裝蝸輪座工件所用夾具。雖然工件分別用夾具（a）和（b）安裝后幾乎不用校正就可直接鏜孔，但是由于要分兩次安裝，因此“兩垂直孔”的中心距尺寸和形位精度仍然很難保證。

采用以上幾種方法加工蝸輪座工件，除質量不穩定、加工精度無法滿足圖紙工藝要求之外，生產效率也比較低，因此要保證完成每月的生產任務有相當大的難度。表1是采用前面幾種常規方法時的加工情況記錄。

為了保證工件加工質量，提高效率和完成每月生產任務，我們需要設計一套能一次安裝完成兩垂直孔鏜削的夾具——異型面鏜孔夾具。

（三）異型面鏜孔夾具設計與制作

1.異型面鏜孔夾具設計、制作思路

（1）夾具設計原則。

①夾具設計以待加工工件的精度要求為設計依據，滿足工件加工工序的設計精度要求，保證工件的尺寸精度和形位精度等。

②達到提高生產率的要求。

③定位合理，安全可靠。

④操作方便、安全；拆裝待加工件方便、快捷。

⑤具有良好的結構工藝性。

⑥保證夾具一定的使用壽命和較低的制作成本。

（2）機床選用。

學校能夠加工蝸輪座工件的設備有車床、銑床和鏜床根據蝸輪座工件的加工技術要求等綜合考慮，選擇T68鏜床。

（3）異型面鏜孔夾具設計要求。

鏜削完成φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米階梯孔后不拆工件，利用分度定位機構使“工件旋轉90°”；然后調整機床主軸位置確保中心距尺寸；再鏜削φ42+0.040毫米通孔，即一次安裝蝸輪座工件完成處在兩垂直面的內孔鏜削加工。

（4）工件定位基準面的選擇及定位方式。

根據蝸輪座工件的加工技術要求等綜合考慮，選擇C面、D面和E面作為定位基準面，根據六點定位原理對蝸輪座工件采用完全定位。

基于以上分析，異型面鏜孔夾具包括：

①用于工件C面、E面定位的裝置，即定位靠鐵1和定位靠鐵2。

②用于工件D面定位以及帶動工件一起旋轉的裝置，即分度定位轉盤。

③用于“連接”機床工作臺與分度定位轉盤的底板。

④分度定位機構。

⑤夾緊機構。

2.異型面鏜孔夾具各部分的設計與加工

（1）定位靠鐵1（如圖4所示）的設計、加工。

根據蝸輪座工件的技術要求以及自身安裝要求等因素設計定位靠鐵1；并按圖紙要求加工定位靠鐵1。

（2）定位靠鐵2（如圖5所示）的設計、加工。

用設計、加工定位靠鐵1的思路、方法設計、加工定位靠鐵2。

1.安裝底板

（1）在基準面A安裝兩個導向定位鍵。

（2）通過50×26毫米長方槽穿入三根用于鎖緊分度定位轉盤的M16T型螺栓。

（3）兩個導向定位鍵與鏜床工作臺T型槽“精密”配合，底板定位在T68鏜床工作臺面。

（4）利用四個M18T型螺栓將底板鎖緊。

2.定位靠鐵1、定位靠鐵2的安裝

（1）分別利用四個M12螺栓將定位靠鐵1和定位靠鐵2“緊固”在分度定位轉盤上并對其進行校正，在保證形位精度的同時還必須確保定位支撐銷釘到分度定位轉盤中心的距離符合圖紙要求。

（2）配鉆、配鉸定位靠鐵1和定位靠鐵2自身的兩個φ12+0.0180毫米銷孔。

（3）安裝定位銷。

3.安裝分度定位轉盤

將分度定位轉盤連同定位靠鐵1和定位靠鐵2安裝在底板上。三個φ17毫米通孔與底板M16T型螺栓“配合”，調整好定位靠鐵1和定位靠鐵2的“位置”，擰緊三個M16螺母即可將分度定轉盤鎖緊；配鉆、配鉸兩個分度定位銷孔。

4.安裝分度定位機構

配鉆三個螺紋底孔，攻螺紋之后安裝分度定位機構。

5.安裝蝸輪座工件

使工件C、D、E面與定位支撐銷釘接觸，然后用壓板、螺栓將工件夾緊。

6.鏜削異型面孔

（1）鏜削φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米階梯孔至符合圖紙規定的技術要求。

（2）分度定位轉盤連同工件一起轉位90°。

（3）移動床頭箱。

（4）鏜削另外一個φ42+0.040毫米通孔至符合圖紙規定的技術要求。

7.卸下蝸輪座工件

松開夾緊工件的兩個M16螺母卸下工件，然后重復上述過程進行兩垂直孔的鏜削加工。

8.異型面孔精度檢測

（五）蝸輪座工件加工定位（誤差）校核

1.由于蝸輪座工件用螺栓、壓板夾緊，在整個加工過程中均處于鎖緊狀態；因此工件與定位靠鐵1、定位靠鐵2之間不存在定位誤差。

2.由于定位靠鐵是利用圓柱銷直接定位，并分別用四個M12螺栓緊固在分度定位轉盤上，在整個加工過程中均處于鎖緊狀態；因此定位靠鐵與分度定位轉盤之間之間也不存在定位誤差。

3.底板和分度定位盤之間采用φ100毫米精確配合聯接，

同時底板和分度定位盤之間還通過φ12+0.0180毫米分度定位銷

“聯接”。

通過分析以及實際生產使用，異型面鏜孔夾具能滿足蝸輪座工件的加工精度要求，效果理想。

（六）學生通過參與異型面鏜孔夾具設計、制作的收獲

1.學生設計、制作異型面鏜孔夾具的使用效果

經實際使用，異型面鏜孔夾具解決了由于“兩次”裝夾、“兩次”校正等因素對蝸輪座工件處在不同表面之間兩垂直孔鏜削加

工所造成的中心距尺寸以及垂直度無法保證的情況。該夾具利用蝸輪座工件上已經加工好的外側面與定位支撐銷釘直接接觸將工件完全定位，工件無需校正即可利用螺栓、壓板“夾緊”，且在鏜削第二個面的孔時也不用裝拆、校正工件，只需將分度定位轉盤轉位900，再將鏜床床頭箱移動兩孔中心距42毫米即可鏜削；因此在保證工件加工精度的同時也提高了加工效率。學生利用夾具加工蝸輪座工件如圖9所示。

2.設計、制作異型面鏜孔夾具對學生的影響

（1）使學生清楚要設計出合理、實用的機床夾具必須掌握過硬的專業理論知識，包括工件圖紙的工藝分析、機床選擇、材料選用、定位組件、夾緊組件、公差配合等精度設計、誤差分析以及結構設計的理論知識。只有真正地掌握了這些理論知識，才能設計出結構合理、符合生產要求的實用性夾具，為學生走向工作崗位打下堅實的基礎。

（2）使學生清楚在進行具體設計時要深入實際，進行調查研究，并掌握以下資料：

①工件圖紙，詳細閱讀工件圖紙，了解工件被加工表面的技術要求，工件在機器中的位置和作用。

②工藝文件，了解工件的工藝過程，本工序的加工要求，工件被加工表面及待加工面狀況，基準面選擇的情況；可用機床設備的主要規格，與夾具連接部分的尺寸及切削用量等。

③生產綱領，夾具的結構形式應與工件的批量大小相適應，做到經濟合理。

④夾具必須能保證加工精度，提高整體工作效率，減輕勞動強度，充分發揮和擴大機床的工藝性能。

⑤要制定出合理的設計方案。

（3）通過這次夾具設計、制作，綜合檢驗了學生對本專業所學課程的理論知識和實習操作動手能力，從中發現自己平時學習

的不足和薄弱環節，從而加以彌補。

總之，通過這次夾具設計，使學生掌握了夾具的基本結構，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規范和標準，同時各科相關的課程也進行了全面的復習；培養和提高了學生獨立工作能力，鞏固與擴充了機床夾具設計等課程所學的內容，掌握了夾具設計的原則、方法和步驟，懂得了怎樣分析零件的工藝性，怎樣確定工藝方案。

四、異型面鏜孔夾具在生產中的應用

（一）異型面鏜孔夾具的結構

1.第一部分是底板

底板A面中間位置有一條“定位通槽”，用來安裝兩個導向定位鍵，從而使底板能直接與鏜床工作臺T型槽準確“精密”配合定位；底板中心有一個φ100+0.034+0.012毫米通孔；B面有一條環形T型槽；另外，底板A面開一條50×26毫米長方槽，鎖緊分度定位轉盤的M16T型螺栓就是通過這條長方槽穿入環形T型槽。

2.第二部分是分度定位轉盤

分度定位轉盤是利用φ1000-0.022毫米高20毫米凸臺與底板φ100+0.034+0.012毫米通孔“精密”配合；分度定位轉盤以φ100+0.034+0.012毫米通圓孔為“基準”可以360°轉動。利用均布的三個φ17毫米通孔，與底板環形T型槽里頭的M16T型螺栓“配合”將分度定位轉盤緊固在底板上面。

3.第三部分是分度定位機構

分度定位銷、手柄和壓蓋通過φ2.5毫米圓柱銷“組合”在一起；利用三個內六角螺栓將壓蓋緊固在分度定位轉盤上。分度轉位時彈簧的彈力將分度定位銷“下拉”，從而使分度定位銷能“準確找到”底板分度定位孔，確保分度快速、準確。

4.第四部分是定位靠鐵1和定位靠鐵2

整體采用鑄造而成，兩條加強筋提高了定位靠鐵的剛性；兩垂直面的精加工以及用于工件定位的支撐銷釘長度均在磨床上完成，形位精度和尺寸精度能滿足設計要求；利用兩個定位銷和四個M12內六角螺栓將定位靠鐵安裝在分度定位轉盤上。

5.第五部分是蝸輪座工件夾緊機構

夾緊機構由壓板、墊塊和螺栓組成，壓板與墊塊是一個“整體”，方便工件裝拆；利用兩個M16螺栓鎖緊蝸輪座工件，牢固、可靠。

（二）夾具各元件的定位

1.蝸輪座工件定位

在定位靠鐵1的垂直面安裝有兩個定位支撐銷釘對蝸輪座工件“基準面C”進行定位，限制工件沿X軸方向移動和繞Z軸轉動兩個自由度。在定位靠鐵2的垂直面安裝有一個定位支撐銷釘對蝸輪座工件“基準面E”進行定位，限制工件沿Y軸方向移動一個自由度。在分度定位轉盤安裝有三個定位支撐銷釘對蝸輪座工件“基準面D”進行定位，限制工件沿Z軸方向移動、繞X軸轉動以及繞Y軸轉動三個自由度。蝸輪座工件采用完全定位方式定位，準確、可靠。

2.定位靠鐵1定位

定位靠鐵1的底面與分度定位轉盤接觸，限制了定位靠鐵1沿Z軸方向移動、繞X軸轉動以及繞Y軸轉動三個自由度；兩個定位銷則限制了定位靠鐵1沿X軸方向移動、沿Y軸方向移動以及繞Z軸轉動三個自由度。定位靠鐵1也是采用完全定位方式進行定位。

3.定位靠鐵2的定位

定位靠鐵2的定位與定位靠鐵1的定位類似。

4.分度定位轉盤的定位

分度定位轉盤的基準面A與底板接觸，限制了分度定位轉盤沿Z軸方向移動、繞X軸轉動以及繞Y軸轉動三個自由度；直徑φ1000-0.022毫米高20毫米凸臺限制了分度定位轉盤沿X軸方向移動和沿Y軸方向移動兩個自由度；安裝在分度定位轉盤的φ12+0.0180毫米分度定位銷則限制了分度定位轉盤繞Z軸轉動一個自由度。分度定位轉盤也是采用完全定位方式進行定位。當分度定位轉盤需要分度轉位時，只需拔出分度定位機構的定位銷，分度定位轉盤可實現分度定位功能。

5.底板的定位（即整套夾具的定位）

與工作臺接觸的底面限制了底板沿Z軸方向移動和繞X軸轉動、繞Y軸轉動三個自由度；與工作臺精密配合的定位鍵限制底板沿Y軸方向移動和繞Z軸轉動兩個自由度；剩下X軸方向移動這個自由度沒有被限制，而X軸與走刀方向平行，故X軸移動的這個自由度不用進行限制也不會影響工件的加工精度。

（三）異型面鏜孔夾具的工作原理

1.指導思想

采用工序集中原則，在鏜床上對蝸輪座工件處在不同表面的兩垂直孔一次定位完成安裝，減少了定位、校正等誤差，從而確保了蝸輪座工件兩垂直孔的加工質量。

2.工作原理

（1）利用分度定位銷進行準確分度定位，使分度定位轉盤在“轉動”過程中保證定位銷能與底板上兩個定位銷孔準確配合，從

而保證異型面兩孔的垂直度。

（2）通過大量程百分表“精確定位”控制，確保鏜床床頭箱上、下移動的距離就是42毫米，從而保證兩孔的“中心距”。

（3）利用鏜刀微調螺栓，準確調整刀具的伸出長度，從而保證了孔的尺寸精度等要求。

（四）蝸輪座工件的工藝加工方法

（1）將待加工的蝸輪座工件準確定位在夾具規定位置，然后夾緊工件。

（2）鏜削F面階梯孔：粗鏜孔→半精鏜孔→精鏜孔，達到圖紙規定的φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米尺寸精度、形位精度和表面粗糙度等技術要求。

（3）拔出分度定位銷，松開鎖緊分度定位轉盤的三個M16螺母，將分度定位轉盤連同工件、定位靠鐵1以及定位靠鐵2一起轉位90°到達規定位置，定位銷“自動插入”銷孔，再分別鎖緊分度定位轉盤的三個M16螺母。

（4）松開鏜床床頭箱鎖緊手柄，利用百分表“精確定位”控制，床頭箱下降42毫米，保證異型面兩孔的中心距符合圖紙要求。

（5）鏜削G面通孔：粗鏜孔→半精鏜孔→精鏜孔，達到圖紙規定的φ42+0.040毫米尺寸精度以及形位精度和表面粗糙度等技術要求。

（6）拆卸已經加工好的蝸輪座工件，安裝待加工的蝸輪座工件，重復剛才的動作對工件進行加工。

（五）異型面鏜孔夾具在生產中的應用效果

經實際使用并對蝸輪座工件進行檢測，采用該夾具在普通鏜床上進行異型面兩孔鏜削加工，所鏜削的蝸輪座工件兩垂直孔的尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度均達到了圖紙設計要求；加工效率比采用常規方法加工提高了3—5倍，解決了蝸輪座工件在鏜削加工異型面兩孔時中心距尺寸和垂直度無法保證的技術難題。表2是使用該夾具加工與采用常規加工方法加工比對情況。

五、結束語

根據校企合作產品——蝸輪座工件的加工要求和我校的辦學特色等實際情況，結合我從事“機械加工工藝以及工裝夾具”的研究，長期承擔鉗工類技師和高級技師培訓教學，以及一直在加工工藝、生產實習教學的工作經驗，總結、分析各種加工方法，揚長避短，充分利用學校現有設備，帶領學生設計、制作了這套普通鏜床“異型面鏜孔夾具”，其設計理念符合采用專用夾具加工工件精度高、效率高的要求，對學生而言既是一種專業理論知識的檢驗，同時也是相關實戰操作的綜合檢驗，另外還解決了生產難題。異型面鏜孔夾具不僅可以滿足蝸輪座工件的設計要求，也為其他校企合作產品的加工和學生實習課題的設計等提供了思路。

參考文獻：

[1]李樹清.一次安裝完成兩垂直孔鏜削夾具設計[J].模具制造，2012（3）：78-84.

[2]李慶壽.機床夾具設計[M].北京：機械工業出版社，1985.