一種渦輪箱蓋的數控加工工藝與夾具設計

劉一聰，陳儉峰

（1.常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213164；2.常州宸奧精密機械有限公司，江蘇 常州 213164）

0 引言

在機械加工中夾具是保證被加工工件在機床上獲得正確的位置并在加工中防止由于切削力造成的位置改變及工件變形的一種重要工藝設備[1]。合理的夾具設計不僅可以較好的保證產品的加工質量，而且可以簡化加工工序，提高加工效率，降低工作者的勞動強度，本文中的渦輪箱蓋用途是將其他零部件如軸、渦輪、螺桿等連接為一體的主要基座，箱蓋的加工質量將直接影響到整個傳動系統的傳動精度。其形狀不規則，加工難度大，在加工時無法直接將其裝夾在機床上，必須設計一種專用夾具進行裝夾，在夾具設計時要根據設計好工藝路線，定位基準，通過定位元件、夾緊元件和支承元件來固定箱蓋。

1 渦輪箱蓋加工關鍵技術指標及加工機床的選型

1.1 渦輪箱蓋加工關鍵技術指標

渦輪箱蓋是一個異形鑄造件，材料為鋁合金。主要的設計技術指標有：各關鍵孔的孔距公差，孔軸線的平行度，孔安裝平面的平行度，孔與相關平面的垂直度。這些指標能否按照圖紙要求加工至所需精度，將直接影響到后期渦輪和各個軸的裝配，如圖1。

圖1 渦輪箱蓋設計圖紙

1.2 加工機床的選擇

依據渦輪箱蓋的加工內容、材料特性、加工精度要求和零件尺寸大小，選擇了美國HASS VF-2立式加工中心作為加工設備，其xyz工作行程為762 x 406 x 508mm ，HASS VF-2是強有力的、占地面積小的立式加工中心，具有小結構機床的可靠性和精確度。刀庫容量為24 把，可以在1.2秒內加速至7500 rpm用以加工鋁，機床性能滿足箱蓋的加工。

2 工藝方案制定

渦輪箱蓋零件如圖1 所示，毛坯材料為鑄鋁，外形不規則，加工時主要工藝要求是保證Φ130.040 130.003孔與Φ1300.05 00.05 0孔的加工尺寸及形位公差；保證各孔與安裝面的垂直度；其中Φ130.040 130.003孔是箱蓋安裝渦輪的主體孔。該箱蓋為大批生產，在加工時需盡可能的將工序進行整合，盡量減少裝夾次數，以此提高生產率。箱蓋的加工難點在于裝夾，即如何設計專用夾具完成每個工位的加工，確保每個工位的安裝的精準性和多次安裝的穩定性，基于此，根據箱蓋的外形特征，結合加工部位的要求，總體將箱蓋的加工分為三道工序，通過三次裝夾完成箱蓋的全部加工，結合三個工序加工要求，設計相應的工位夾具。

表1 分動箱殼體數控加工工藝

3 夾具的設計

在夾具設計時首先應該考慮定位基準的問題，按照粗基準的選擇原則，當零件有不加工表面的時候，應該選取這些不加工的表面作為粗基準；如果在工件的所有表面中相互位置精度非常高且不需要加工的表面，我們通常選取這類表面作為工件加工的粗基準[2]。在對精基準進行選取時必須要滿足“基準重合”、“基準統一”原則。

3.1 工位Ⅰ夾具設計

在工位Ⅰ的夾具設計時，根據箱體鑄件的特征，用鑄件現有的孔作為定位基準，在夾具中設計定位銷，如圖2中“3”所示，同時設計4個靠緊裝置，如圖2中“2”所示，結合2個定位銷和4個靠緊裝置消除箱體在機床中X、Y方向的移動自由度。自此基礎上，根據箱體的加工部位，設計3個壓緊裝置，消除Z方向的自由度。

圖2 工位Ⅰ定位方案

圖3 工位Ⅰ裝夾效果圖

3.2 工位Ⅱ夾具設計

在機械加工中，在缺少定位基準的情況下，可以采用工藝孔的方式增加基準，在工位Ⅱ的夾具設計中即采用了這種方法，如圖4中的“1”所示，在工位Ⅰ的加工中把其中的一個安裝孔在不影響后期質量的情況在設計成定位孔，便于下道工序的裝夾定位。其次，由于箱體鑄件外形不規則，為保證在工位Ⅱ加工中Z方向的水平度，在夾具設計時增添了3個高度墊柱。最后同樣設計3個點的壓緊裝置，用來固定箱體。

圖4 工位Ⅱ定位方案

3.3 工位Ⅲ夾具設計

在完成箱體正反兩面的加工之后，根據工藝安排，最后加工箱體側面部位，由于側面部位有兩個加工點，且相對位置為180°，為了簡化工藝，減少夾具數量，因此采用四軸加工工心進行加工，在一次裝夾的情況下，通過四軸轉臺的旋轉，完成相對位置為180°的兩個部位的加工，在夾具設計時，首先保證夾具背面可以精準的安裝在四軸轉臺上，再對零件裝夾部位進行設計，具體設計思路參考上述兩道工序，定位方案如圖6。

圖5 工位Ⅱ裝夾效果圖

圖6 工位Ⅲ定位方案

圖7 工位Ⅲ裝夾效果圖

3.4 定位銷尺寸與夾緊力計算

本箱體在三道工序的夾具中都采用了一面兩銷的組合定位方式，最大限度的遵循了基準重合和基準統一的原則[3]。以Φ8定位孔為例，其直徑：

由于圓柱銷直徑的基本尺寸應等于相配孔的最小極限尺寸，即Φ8g6。因此，圓柱銷的直徑：

兩個定位銷的中心距公差也有要求，一般選取1/3-1/5定位孔中心距公差，文中其他圓柱定位銷尺寸同理得出。

根據《簡明機械手冊》單位切削力標準值查表可得，根據鑄造鋁合金AlCu Mg3切削厚度h=1mm時單位切削力kc=780N/mm2，估算六角螺母面積最大值為2mm2，可得切削時螺母受力極限值為1560N[4]。

對于夾具所要承受的夾緊力計算：根據《機床夾具手冊》可以知道：當采取六角螺母夾緊的時候，所要考慮的參數：M=20mm，P=1.75mm，L=200mm，通過查表計算可得作用力F的大小為70N，夾緊力W0的大小為6370N。因為夾緊力的值比切削力值大，所以對于本次所設計的夾具可以安全準確的使用[5-6]。

4 結語

將文中夾具設計方案實際運用，零件加工符合圖紙要求，加工穩定性較好，截止目前已加工數萬個渦輪箱蓋，產品報廢率控制在1%以下，返修率控制在2.8%以下，夾具結構簡單，日常維護方便，運用效果良好，具有良好的使用效能。不足之處在于當前設計加緊方式采用手動加緊，今后可改進方案，采用氣動壓緊，降低工人勞動強度，提高裝夾效率。