一種精密加工微調(diào)夾具設(shè)計(jì)

施國鋒

(溫州潭興精密機(jī)械有限公司，浙江 溫州 325035)

模具生產(chǎn)工藝水平及精度的高低， 已成為衡量一個國家制造水平的重要標(biāo)志，它在很大程度上決定著企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，決定著一個國家制造業(yè)的國際競爭力[1-2]。在精密模具加工過程中，模具加工夾具的定位精度及相關(guān)因素將直接影響零件的加工精度[3]。通常夾具的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精度設(shè)計(jì)[4-5]，而精度設(shè)計(jì)往往是比較容易忽略的地方，根據(jù)夾具的用途不同，其精度要求也不同。以電火花加工為例：在進(jìn)行高精度深小孔加工時(shí)，按照工藝要求要先進(jìn)行電極制造，將電極固定在專用夾具上，在保證電極的加工精度前提下，夾具的設(shè)計(jì)精度將直接決定零件的加工精度。

在應(yīng)用電火花加工技術(shù)加工高精度小孔時(shí)，由于電極制造誤差、裝夾誤差等原因，使得加工小孔的垂直度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為減小精密加工中的形位公差，筆者研制了一種電火花加工高精度型腔孔專用夾具，使用該夾具裝夾后進(jìn)行微調(diào)，可將小孔加工垂直度誤差控制在0.02 mm以內(nèi)，減小電極尺寸誤差影響，從而提高電火花加工小孔的精度。

1 零件分析

如圖1所示為級進(jìn)模模具中部分型腔的二維圖。為保證型腔的加工精度，φ15內(nèi)孔軸線與底部端面間有垂直度要求，φ15內(nèi)孔軸線與φ5.5的內(nèi)孔軸線有同軸度要求，其中φ15的內(nèi)孔對底面的垂直度公差值在全長上為0.02mm，模具的材料為Cr12MoV，由于生產(chǎn)批量較小，加工精度要求高，設(shè)計(jì)機(jī)床專用夾具較為繁瑣，另外材料材質(zhì)較硬，因此選擇電火花成形加工。

圖1 模具型腔

為保證形位精度要求，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須正確選擇定位基準(zhǔn)，合理安排加工順序。根據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，定位基準(zhǔn)選擇應(yīng)盡量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致[6]，故加工時(shí)選擇底面為定位基準(zhǔn)，先加工底面，再以底面定位，裝夾找正后加工φ15孔尺寸的工藝方案。在該工藝方案中，實(shí)施的關(guān)鍵是φ15孔的加工定位方式。

2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析，設(shè)計(jì)了一種高精度微調(diào)夾具，實(shí)現(xiàn)工件的快速裝夾和準(zhǔn)確定位，夾具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維圖

其中安裝螺釘?shù)淖饔檬菍A具固定在機(jī)床上，電火花電極通過下方的緊固螺釘安裝在電極夾頭上。該套夾具的工作原理是：在夾具體前后左右4個面上開有4個1 mm寬度的“J形”調(diào)整槽，同時(shí)在4個面上設(shè)計(jì)了4個帶有斜度的微調(diào)孔，其錐面如圖3所示，錐面與楔形塊形成配合。使用該夾具時(shí)，將電極安裝在電極夾頭上，楔形塊與微調(diào)斜面配合，并通過螺釘進(jìn)行微調(diào)，此時(shí)楔形塊的外錐面脹緊微調(diào)孔的內(nèi)錐面。當(dāng)旋動內(nèi)六角螺釘時(shí)，帶“J形”槽的夾具體產(chǎn)生彈性變形，向外脹開或收縮，使電極頭在X和Y方向可以有小幅擺動，從而調(diào)整電極的垂直度。

圖3 微調(diào)斜面

3 分析計(jì)算

3.1 微調(diào)螺釘受力分析

細(xì)牙螺紋的螺距小，牙形高度小，因而強(qiáng)度較高，自鎖性能良好，多應(yīng)用于自鎖防松性能好的場合和微調(diào)螺旋機(jī)構(gòu)[7]。楔形塊與微調(diào)斜面的配合選用M5的普通細(xì)牙螺釘，螺距p=0.5 mm。如圖4所示，細(xì)牙螺旋副的相對轉(zhuǎn)動相當(dāng)于楔形滑塊沿傾斜角為α1的斜面滑動，α1=α/2，其中α為牙型角，所以三角型楔面的法向反力

圖4 螺紋受力分析

式中，d2為螺紋中徑，Φ為螺紋升角。從式5可知，當(dāng)量摩擦角ρ′越小，力矩T就越小，旋轉(zhuǎn)時(shí)越省力。

3.2 螺紋旋轉(zhuǎn)與微調(diào)尺寸關(guān)系

本夾具通過“J形”槽的彈性變形實(shí)現(xiàn)電極的垂直度誤差調(diào)整，而槽的彈性變形主要通過螺釘?shù)男牒退砷_實(shí)現(xiàn)，因此研究螺紋旋轉(zhuǎn)與彈性變形量很有必要。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，微調(diào)斜面結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)斜面的傾角為γ，螺釘旋轉(zhuǎn)一周時(shí)在X、Y方向上的調(diào)整位移為

圖5 微調(diào)斜面結(jié)構(gòu)

4 試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)上述理論及計(jì)算的相應(yīng)參數(shù)，試制了相應(yīng)的微調(diào)夾具實(shí)物如圖6所示，其質(zhì)量僅為2.1 kg，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，主要用于精密模具加工中的刀具裝夾，實(shí)現(xiàn)精密加工。

圖6 微調(diào)夾具實(shí)物圖

本夾具已在某精密模具企業(yè)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，生產(chǎn)實(shí)踐證明，該夾具利用合理的結(jié)構(gòu)及簡便的操作，最高定位精度可達(dá)到0.01 mm，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

本套夾具巧妙利用“J形”槽的彈性變形原理，完成了精密模具中高精度垂直孔的加工。在實(shí)際生產(chǎn)中，小孔垂直度誤差均不超過0.02 mm，實(shí)現(xiàn)了電火花電極的快速精確裝夾，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

該夾具結(jié)構(gòu)還可應(yīng)用于線切割等高精度加工的工件裝夾，在研制階段、小批量生產(chǎn)模式下具有較好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。