分段式漲簧定位夾緊裝置設計

楊建賀 李純章 陳小明 丁震 王敏輝 常海

摘? ?要： 為提高長筒形薄壁零件精車內外形加工精度，設計一種分段式漲簧定位夾緊裝置。針對長筒形薄壁零件加工過程中易發生變形、壁厚不均勻、整體剛性弱等問題，在原有工件兩端支承基礎上，設計了內孔小錐度漲體輔助支承，實現了夾緊裝置結構，加工過程建立工件全段撐圓。裝置設計改進后，主體壁厚差可控制在0.03～0.05 mm，內外圓同軸度達到φ0.06 mm以內的加工要求。該裝置已獲發明專利授權，長筒形薄壁零件已通過該裝置實現批量生產。

關鍵詞： 分段式漲簧;長筒形薄壁零件;精車內外形加工;輔助支承;同軸度

中圖分類號：TH135? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-046-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.009

引言

為了使運輸工具增加有效載荷，降低動力源消耗，現代運輸工具的零件結構常采用輕量化設計理念[1]。運輸工具要滿足使用要求，通過零件結構優化及有限元仿真分析[2-3]等手段，可以使零件的材質盡可能做到重量輕，設計結構具備壁薄、細長、復雜異形等特征[4]。

江南工業集團有限公司（以下簡稱“我公司”）某運輸工具產品裝配有長筒形薄壁零件，其加工過程中易發生變形，整體剛性弱，精車加工面臨難題。

本文將發明專利《分段式漲簧夾緊裝置》[5]的關鍵技術應用于長筒形薄壁零件精車內外形加工。首先，對零件結構及加工難點進行初步分析;其次，開展精車加工工藝設計，實施定位與夾緊設計;最后，結合分段式漲簧定位夾緊裝置的總體設計，闡述了長筒形薄壁零件的加工過程。

1? 零件結構及加工難點分析

如圖1所示，長筒形薄壁零件的主要材質是薄壁異形的高強度鋁合金，呈長筒形（φ172 mm×350 mm）。在零件薄壁內右端有Md螺紋，在左端內孔可見凸臺（直線長圓柱段），圓柱段主要本體最小壁厚僅1.85～2 mm，主體圓柱段外圓直徑φ172 mm，是典型的大直徑長筒形薄壁機加件。零件中部可見一平臺呈凸出凹形，在中段部位的外圓區域需銑削成形，4個軸向的長凸臺在外圓柱面徑向位置呈對稱分布，兩端外圓和內孔只能車削加工。

由于其薄壁設計結構，以及其均勻壁厚設計要求（壁厚差不大于0.06 mm），精車內、外形是該零件加工較為關鍵的環節。精車內形后，零件整體剛性已較弱。在精車外形后，零件裝夾將很困難，采用固定芯軸定位夾緊方案或者內撐軟三爪定位夾緊方案都無法保證加工要求。因此，本文裝置設計要解決精度問題，即精車右端口部內形和整體外形時保證壁厚均勻，內外圓同軸度達到φ0.06 mm以內。

2? 精車加工工藝設計

精車內外形加工尺寸要求如圖2所示。設計基準T=內孔d，Md為內螺孔，內外圓的同軸度為φ0.06 mm。基準T、左右端面的垂直度分別為0.05 mm、0.03 mm。

以零件結構特點為基礎，考慮刀具、夾具等各影響因素，對精車加工工藝進行設計。精車內外形加工分兩道工序完成：內形全段要兩邊分開加工，不能一次車成;為了確保兩邊加工同軸度的精度，需要把右邊的局部區域內形以及整個外形一次性車成。

加工工藝路線為：首先精車主體內部形狀，即先精加工左端長筒段內孔的大部分，同時將端面車平，以保證垂直度要求;然后完成外形車削（包括內腔端部內形）。以內孔d和長圓柱段端面為主要定位基準，安排復合工步，在右端口部完成內孔d、內螺孔Md和短筒段端面加工，以保證總長度;然后將兩端外圓d（兩個外徑相同的外圓）車削完畢，以保證兩端內孔的同軸度和垂直度要求。在J1FCNC—Ⅲ數控車床上安排完成精車內外形兩道工序，保證量產尺寸的一致性。精車內外形加工尺寸圖如圖3所示。

3? 定位與夾緊設計

如前文所述，本零件為長筒形薄壁零件，易變形。薄壁件加工并從夾具卸下后會發生變形，無法真實還原到原始加工狀態，同軸度精確測量就無法進行。對此，采取測壁厚差的方法來反映內外圓同軸度。如果采用剛性芯軸定位，即使定位元件的制造精度再高，也無法消除夾具定位間隙，這必然會影響被加工零件的同軸度精度。工藝試驗表明，采用小間隙精密剛性圓柱芯軸定位的長筒形薄壁零件，外徑局部弧長為15～20 mm，壁厚差達0.13～0.18 mm，遠遠超過0.06 mm的同軸度要求。

為此，考慮采用漲簧式定心夾緊結構，采用漲簧定位內孔，漲簧定位直徑為φ160 mm。目前，高精度、大直徑漲簧的設計和制造完全無資料可查，但現代制造技術和機床的發展，為其提供了條件。根據零件的薄壁和易變形的特性，設計了大直徑特殊漲簧結構，選擇合適的漲簧制造工藝流程，制造出合格的分段式漲簧。

3.1? 定位原理及結構設計

根據加工工藝基準的選擇原則，夾具定位設計應遵循“基準重合”和“基準統一”的基本原則，以減少定位誤差對加工精度的影響。如圖2所示，零件軸向定位在左端大平面內，限制了X軸移動和Y、Z軸旋轉;長圓柱內孔D的定位限制了Y、Z軸的移動和旋轉。

內孔D由分段彈簧結構夾緊。彈簧兩端切割有6個相互交錯的縱向槽，以保證彈簧的彈性。對于長筒形薄壁零件，漲簧外圓定位夾緊僅能做到兩端支承，工件中部剛性較弱，為此，在漲簧內部創新設計了內孔小錐度漲體輔助支承，支承部位為工件剛性較強的區域，即增加了一個輔助支承點。分段彈簧在整個截面上支承薄壁零件的內孔，使零件的定位處于理想狀態。

為了解決長筒形薄壁零件剛性弱的問題，并確保零件滿足設計要求，漲簧的設計采用內孔整個缸面接觸定位的方式，并在中部增加輔助支承，大大提高了零件的整體剛性。分段式漲簧結構簡圖如圖4所示。

3.2? 夾緊方案

在精車內外形加工工藝中，夾具采用分段式漲簧夾緊結構，即兩端支承加上中部輔助支承，既能定心定位，又能夾緊工件。分段式漲簧夾緊結構采用兩部分夾緊支承工件內形：第一部分支承漲緊工件兩端;第二部分輔助支承漲緊工件中端內形，使工件全段撐圓加工，減少變形對加工精度的影響。因此，分段式漲簧夾緊結構起到控制所謂“工件平均公差”的作用，理論上定位誤差可達到零。由于制造精度和彈簧材料的影響，難以實現理論精度;但是通過漲簧簧片的作用，能均衡產生對工件的夾緊壓力，可切實減小零件的整體加工變形。

4? 精車內外形加工夾具總體設計

4.1? 結構設計

分段式漲簧定位夾緊裝置由定位元件、夾緊元件、主體安裝元件、導向元件等組成，如圖5所示。具體包括主軸（1）、大螺母（2）、固定錐體（3）、銷（4）、緊定螺釘（5）、活動錐體Ⅰ（6）、導向鍵（7）、擋圈（8）、分段式漲簧（9）、彈簧（10）、活動錐體Ⅱ（11）、導向螺釘（12）、小螺母（13）、專用手柄（14）等零件。本裝置是精車加工該長筒形薄壁零件內外形的專用裝置。

4.2? 機理分析

夾具主軸（1）左端的外圓設計為錐軸，以配合所選機床主軸的內錐孔接口，并用長螺釘擰緊主軸，以保證夾具的整體旋轉精度和安全性。通過擰緊緊定螺釘（5），固定錐體（3）固定在主軸（1）上，錐面可與主軸（1）磨平，以保證同軸度;分段漲簧（9）的左內錐與固定錐體（3）的外錐面配合，防止彈簧（10）通過銷（4）旋轉新設計的活動錐體Ⅰ（6），防止其與夾具主軸（1）之間產生配合小間隙，并設計導向鍵（7）導向，為防止其轉動，外錐與分段漲簧（9）的中間內錐配合;活動錐體Ⅱ（11）的內孔與主軸（1）精確配合，導向螺釘（12）也被設計成防止旋轉。主軸（1）和活動錐體Ⅱ（11）只能軸向移動。活動錐體Ⅰ（6）上銑有四個長凸臺，凸臺外圓有螺紋，凸臺穿過固定錐體（3）端面上的四個腰形孔，與大螺母（2）聯接，如圖6所示。彈簧（10）起松開分段式漲簧（9）的作用，擋圈（8）可調節彈簧（10）壓力大小。

4.3? 漲簧設計及制造

本夾具的核心元件是大直徑分段式漲簧（9），其詳細結構如圖7所示。分段式漲簧的制造精度直接影響產品的加工精度。在夾具總圖中注明了漲簧外圓對主軸軸線基準的綜合徑向跳動量為0.015 mm以內的技術要求，這也決定了漲簧外圓磨削工序安排：先將漲簧的三個內錐面加工好，外圓留0.3～0.5 mm余量，夾具整體合裝后，通過雙錐體使漲簧預漲一定量（0.05～0.10 mm），再精確磨削漲簧定位外圓直徑，即可滿足夾具總圖對漲簧的裝配技術要求，并可消除各夾具元件制造精度的綜合誤差影響。漲簧精加工后，還必須作定性處理，去除各種殘余應力，保證其長期使用和精度穩定。

4.4? 工作過程

安裝工件時，工件套入分段式漲簧（9）定位外圓，其左端面必須貼緊固定錐體（3）的定位端面，通過擰緊小螺母（13），完成第一次定位夾緊;用手柄（14）插入擰緊大螺母（2），帶動活動錐體Ⅰ（6）軸向移動，工件的中間部分在分段漲簧（9）的作用下被拉緊，完成第二次輔助夾緊。適當控制二次定位輔助夾緊力，可以加工出工件右端口的局部內部形狀和整體形狀。卸下工件時，首先擰松大螺母（2），退出活動錐體Ⅰ（6），再擰松小螺母（13），使得活動錐體Ⅱ（11）由彈簧（10）向右移動，分段式漲簧（9）彈性回位，松開工件。

5? 結束語

本文設計的分段式漲簧定位夾緊裝置能有效解決長筒形薄壁零件的精車內外形加工問題，保證其壁厚均勻。目前已實現產品的批量生產，產品的主體壁厚差可控制在0.03～0.05mm，滿足內外圓同軸度達到φ0.06 mm以內的要求。該裝置已獲發明專利授權（專利名稱：分段式漲簧夾緊裝置，專利號：CN201510510651.X），擴大了普通精密彈簧的應用范圍，解決了長筒形薄壁零件夾緊彈簧中部剛度弱的問題。分段式漲簧定位夾緊裝置的設計構思簡單實用可靠，亦可為類似工件的加工提供有益的參考。

參考文獻

[1] 《航空工藝裝備設計手冊》編寫組. 航空工藝裝備設計手冊： 夾具設計分冊[M]. 北京： 國防工業出版社， 1979.

[2] 蔡光耀. 機床夾具設計[M]. 北京： 機械工業出版社， 1994.

[3] 東北大學《機械零件設計手冊》編寫組. 機械零件設計手冊： 第三版[M]. 北京： 冶金工業出版社， 1994.

[4] 張世昌. 機械制造工藝基礎[M]. 天津： 天津大學出版社， 1996.

[5] 楊建賀， 楊昭， 張會茸， 等. 分段式漲簧夾緊裝置： 201510510651.X[P]. 2015-11-18.

作者簡介：

楊建賀（1958—），通信作者，男，漢族，湖南湘潭人，本科，高級工程師。研究方向：機械加工工藝與工裝設計。

E-mail： bxyyjhyj@126.com

（收稿日期：2020-07-10）