齒形模具零件銑床夾具的設計與加工

■ 延鋒安道拓座椅機械部件有限公司 （上海 201315） 張 磊

齒形零件結構較復雜，在數控車床與數控銑床加工中，裝夾較困難，零件裝夾不可靠易發生安全事故，而且零件加工后的同心度也無法保證，使得編程人員與操作人員無法正常加工棘手的齒形零件。本文通過理論分析齒形模具零件的結構特征，制作專用夾具很好地解決了齒形零件外形與內孔同心度的技術難點，并廣泛靈活地應用于實際加工。

1. 齒形模具零件介紹

公司模具零件中的外齒沖頭零件如圖1所示，模具型號為RC020-317，材料是瑞典ASP系列粉末狀高速鋼，熱處理后硬度為63～65HRC。其齒形和齒頂圓已由前道工序線切割精加工完成，均按照－0－0.005mm的公差尺寸控制。現需要數控加工中心來銑削正面φ（59.9±0.01）m m、φ（4 6.7±0.0 1）m m、φ（37.2±0.01）mm的外圓與內孔，深度（1.8±0.01）mm、（2.4±0.01）mm的臺階，齒形C0.3的斜倒角和R0.2mm的圓弧倒角以及反面兩個φ8.005+0.005+0.015mm的銷孔。

圖1 齒形模具零件

2. 難點分析

零件外形一整圈都是齒形輪廓，裝夾較困難，在銑床上無法采用三爪自定心卡盤夾持。卡盤的三個卡爪靠端面螺紋轉動來夾緊零件，端面螺紋之間有很大間隙，重復夾持零件無法保證零件始終處于同一中心軸線上，同心度無法達到0.005mm的精度，保證0.01mm的精度都較困難。卡爪的爪身接觸面圓弧較小，零件的部分齒頂圓夾持不到卡爪上，導致夾緊后不僅會夾傷零件齒尖，還會使零件裝夾不牢固，存在零件因銑削力較大而松動飛出的安全風險。如采用兩個相同V型塊對稱夾緊的方法，雖然V型塊具有良好的對中性，不會影響工件的對稱度，但由于V型塊的兩個斜邊夾緊后接觸到的是零件圓周齒形的某一個或兩個齒頂圓，這樣夾緊后非常不牢固，銑削力大也會使零件松動，同心度無法達到0.005mm的精度要求，每次更換新零件夾緊后都需要重新分中對刀，加工效率低。

3. 專用夾具的設計

齒形零件首先要解決裝夾后齒頂圓與被加工內孔的同心度難題，其次是怎樣達到高效率加工的效果。基于這兩個研究方向，構想出一個既能重復快速拆裝齒形零件、又能有效解決同心度難題的專用工裝夾具。

（1）夾具設計 如圖2所示，選用一塊長11 2 m m、寬96mm、厚16mm的長方形硬料，中間部分由線切割精割出與齒形零件相對應的齒形鍵槽內孔，不需要圓周全部割出齒形鍵槽，只需要均分90°對稱割出四邊幾個齒形，與齒形鍵槽周邊相連接的是φ70.381 2mm的內孔,極限公差按照+0.008+0mm來控制。由于上道工序線切割割出來的齒形齒頂圓是按照φ70.381 2－0－0.005mm公差控制的，因此相配合的理論間隙在0.013mm之內，手工很輕松就能拆裝零件。如圖2、圖3所示，上面的齒形只有四顆，原因是如果以零件上表面定向視圖在中心位置畫出垂直中心線，如圖4所示，上面對稱中心線就是左右各兩顆齒形，這四顆齒形與下面中心線對稱的五顆齒形是相對應的，左右兩邊各對稱五顆齒形，這樣零件插入后就能穩定貼合在夾具的齒形鍵槽里。

（2）夾具原理 零件安裝到夾具齒形鍵槽里的配合如圖5所示，齒形零件與齒形鍵槽貼合后放置在夾具固定體平面上，這樣就限制了齒形零件的六個自由度，達到完全定位的效果。雖然夾具四邊過多數量的齒形鍵槽導致零件出現了過定位現象，但是基于對夾具的剛性和插入零件后加工時的穩定性的綜合考慮，最終這樣設計，無論是對銑削粗加工還是精加工，由于零件的齒輪與多個齒形鍵槽穩定貼合，銑削力較大時不會對零件的穩定性產生不良影響，從而大大增強了夾具的剛性。設計齒形鍵槽是為了銑削齒輪倒角C0.3、R0.2mm與加工反面兩個φ8.005mm的銷孔時不會發生錯位現象。探頭第一次分中夾具內孔φ70.381 2mm并設置G54坐標系原點作為夾具的對刀基準，這時零件安裝鎖緊即可進行銑削加工，加工好后松開螺釘垂直拔出并裝入新零件，又可循環進行第二次銑削加工，無需重復對刀操作，大大節省了后續的輔助時間，加工效率極高，可以達到批量生產的目的。

圖2 專用夾具設計

圖3 專用夾具實體

圖4 零件齒形對照

圖5 零件裝入夾具配合

4. 安裝、編程加工

在零件銑削加工前，還要考慮夾具如何安裝在機床工作臺上。由于夾具中間是齒形鍵槽通孔，如果直接把夾具夾緊在工作臺虎鉗上，夾具會由于虎鉗的夾緊力而產生彈性變形，導致零件不能通過間隙配合安裝到夾具齒形鍵槽里，且加工好后齒形零件無法輕松拔出。因此，可以設計一個夾具固定塊，如圖6所示，在固定塊上鉆出與夾具相對應的四個螺釘孔與中心位置固定零件的M10螺釘孔，并做攻螺紋處理。圖7所示為零件與夾具安裝在虎鉗上的整體結構。

圖6 夾具與固定塊裝配

圖7 整體結構

（1）安裝說明 正面安裝：①先把夾具固定塊夾緊在工作臺虎鉗上，使用杠桿式千分表校平固定塊的整個大平面，保證達到0.003mm的精度要求。②將夾具放置在固定塊的大平面上，使用四個螺釘輕微鎖緊夾具，在夾具左右兩個側邊或前后的直邊選取其中任意一個作為基準邊（夾具的六個邊在磨床工序時保證了其平行度與垂直度），使用杠桿千分表校平，保證達到0.003mm的精度要求。③夾具校平后使用六角扳手均勻鎖緊四個螺釘，調出機床刀架里的探頭，四邊分中夾具內孔φ70.381 2mm的圓，設置G54坐標系X軸與Y軸原點作為夾具對刀基準。④垂直向下把齒形零件穩定地插入夾具齒形鍵槽孔里，與固定塊的大平面貼平，并使用M10螺釘鎖緊在零件φ11.0mm的螺釘過孔上。⑤探頭單獨做零件上表面Z軸的對刀操作，保存好G54坐標系Z軸數值后，調出程序即可進行第一件的銑削加工。⑥加工完成后，使用六角扳手松開中間M10螺釘，垂直拔出零件，尺寸進行首檢，合格后重復工序④，裝入新的齒形零件鎖緊后直接進行銑削加工，無需對刀及別的輔助操作。

反面安裝：①加工反面時，固定塊與夾具保持不變不拆卸，零件裝入后工藝直邊與夾具側面基準邊平行，使用杠桿式千分表檢測工藝直邊的平行度。②確認無誤后，M10螺釘鎖緊在中間φ11.0mm的通孔里，然后進行兩個φ8.005mm銷孔的銑削加工，無需對刀及別的輔助操作。

（2）編程加工 使用UG軟件編程齒形零件正面的所有輪廓臺階形狀，編程正面所有要求加工的外圓臺階與內孔臺階如圖8a所示，編程加工齒形C0.3與R0.2mm的倒角如圖8b所示。由圖8可知，夾具與零件配合的三維圖和機床里實際安裝的夾具與零件方向位置完全一致，這樣保證了軟件編程與實際加工同步。加工反面兩個φ8.005mm的銷孔如圖9所示，采用兩個相同銑刀分粗、精加工到尺寸要求。

（3）實際加工 圖10所示為固定塊、夾具和齒形零件組裝后夾緊在機床工作臺虎鉗上的加工過程。

圖8 編程加工

圖9 編程加工反面兩個銷孔

5. 檢測數據

檢測設備為精密三坐標測量儀。

圖10 機床上實際加工過程

數據分析：如圖11所示，通過精密三坐標檢測之后，僅存在兩個超出公差的地方，線切割加工出來的齒形曲線輪廓有0.01mm左右的超差，φ70.381 2mm齒頂圓偏大了0.002 1mm，但這并不影響齒形零件在專用夾具上的拆卸安裝，從數據中可看出，零件外齒形與內孔同心度非常好，均在0.005mm的公差范圍內，銑削出來的各個尺寸精度也較好，表明這個夾具非常適合齒形零件的安裝與加工。

6. 結語

圖11 檢測后的數據

圓形齒形零件在車床和銑床上裝夾都較困難，首先需要考慮零件的齒形和被加工的內孔如何保證同心度，其次需要考慮在夾具上優化零件的加工方式。本文通過設計夾具內孔四邊的齒形鍵槽，使齒形零件達到穩定定位貼合的目的，不會發生倒角與銑削錯位，夾具鍵槽內孔與齒形零件微量間隙配合也達到了重復快速拆裝的加工目的，大大提高了齒形零件的加工效率與質量。通過三坐標檢測數據證明這一專用夾具具有很高的實用價值，在公司模具精加工領域里，可廣泛使用在該齒形零件的批量銑削加工上。