撥塊零件加工及夾具設計

趙錦偉

（南京工業大學教務處工程訓練中心，江蘇南京 211800）

0 引言

在汽車變速箱體的換擋結構中，撥塊安裝在撥叉基體上，通過變換不同的齒輪組合完成換擋變速。長此以往，撥塊會產生不同程度的磨損和變形。由于撥叉、撥塊的分體式結構，撥塊發生嚴重破壞甚至失效時，可以直接換新，但撥叉仍然留用，省去了維修等諸多麻煩。設計一種方案，為撥塊類零件的加工提供有效參照，設計專用夾具配合完成加工。

1 毛坯的分析

該撥塊零件為學校與企業合作過程中學生實踐生產的產品，企業提供零件的材料為灰鑄鐵HT200。該材料最低抗拉強度為200 MPa，有鑄造性、可切削性、減振性及耐磨性較好等優點。根據撥塊特性及工作情況，選擇金屬模機械砂型鑄造毛坯（毛坯未鑄出內孔）[1]。經分析，留各表面的單邊加工余量2 mm。該零件屬于尺寸較小的輕型零件，生產類型為大批量生產，企業年生產量可達5000 件。

2 零件工藝安排

該撥塊加工項主要有平面、曲面、內孔及內螺紋，是一個形狀稍微復雜的零件，因此需用銑床、車床來進行加工，或整個零件的加工都可以采用銑床來完成。因該零件為校企合作學生實踐產品，能夠涉及到較多工種的則為優質方案，故采用前者方法較為妥當。撥塊零件如圖1 所示，Φ15 mm 的內孔表面粗糙度為Ra1.6 μm，可選用7 級公差。該孔可以采用較細刀桿的內孔刀來車削至尺寸，或通過鉆孔、擴孔及鉸孔等工序完成，為節省時間，這里選用前者方法。其他各面粗糙度均為Ra3.2 μm，選擇自由公差[2]。零件外輪廓及前后平面須用銑床加工，工藝安排如下。

圖1 撥塊零件

2.1 工序I

對毛坯零件進行熱處理，在500～550 ℃退火、消除應力。

2.2 工序Ⅱ

選用XK5034 型數控立式升降臺銑床，主電機功率P=4 kW，將零件銑削至尺寸。

（1）粗銑：利用數控在線加工方法將各平面及曲面進行粗銑去量，選用直徑8 mm、齒數4 的硬質合金端銑刀。一次走刀完成粗加工，銑削深度ap=1.5 mm，機床轉速n=300 r/min，進給速度vf=300 mm/min，留0.5 mm 的精加工余量。

（2）精銑：設置ap=0.5 mm，n=500 r/min，vf=150 mm/min，將撥塊精銑至尺寸，并保證表面粗糙度。

2.3 工序Ⅲ

內孔刀鏜Φ15 mm 孔。選擇CA6140 型普通車床，主電機功率P=7.5 kW。

由專用夾具定位工件，夾緊、鉆孔后用硬質合金內孔刀將Φ15 mm 的孔車削至尺寸。為了避免在切削過程中刀桿下側與內孔壁發生摩擦干涉，此過程需要統一采購符合條件要求的內孔刀，方便直接裝夾刀具使用，省去磨削刀具的時間。同時需要控制切削深度ap≤1 mm，保證切削過程穩定有序。

粗鏜：f=0.2 mm/r，n=500 r/min。

精鏜：f=0.1 mm/r，n=1000 r/min。

2.4 工序Ⅳ

零件夾于平口鉗上，用絲錐對M8 的內螺紋攻絲。為保證零件的表面質量，在零件的被夾持表面墊銅皮進行保護。

2.5 工序V

零件去毛刺后終檢、入庫。

3 車床鉆孔夾具設計

3.1 夾具設計要求

（1）空間位置。嚴格來講，要求夾具安裝成功后，應當滿足在空間上對于各類刀具都可以直接靠近工件進行切削；同時，需保證夾具體在使用時，與車床不發生任何的干涉。在本次設計中，因夾具與卡盤為過度盤連接，故干涉問題不存在。

（2）快速調整更換。設計的夾具多數為專用型夾具，為減少機床設備的等待閑置和更換等輔助時間，要求夾具可以快速重新調整結構穩定性和更換零部件，操作應方便、省力。

（3）定位及精度。為確定零件的準確位置，夾具體中的零件應被完全定位，同時夾具在機床上也應具有完全定位的特性，以便為工件的定位和安裝做基礎。另一方面，普通機床所安裝的夾具，對其精度及剛度都有一定的要求，這樣可以減少零件在夾具中的定位誤差和夾緊誤差[3]。

3.2 選擇定位基準

現針對工序Ⅲ中提到的車床專用夾具進行單獨設計。裝夾撥塊選擇合適的定位基準極為重要，其合理性可以確保較高的加工質量，甚至縮短工藝過程。根據基準選擇原則，在車床上用夾具來定位Φ15 mm 的待加工內孔，應選擇A 面和D 面作為內孔在兩個方向上的定位基準。

3.3 夾具設計方案

將三爪卡盤換成提前制作好的Φ230 mm 的圓形底盤（也稱基礎件），該盤外圍均勻分布4 個連接孔，以供和主軸端部過渡盤連接。先將定做好的長方體定位板（170 mm×42 mm×15 mm）橫貼于基礎件上面，定位板零件如圖2 所示。用2 個圓柱銷將其固定，3個螺栓鎖緊，圓柱銷處采用過盈配合，使基礎件中心與定位板下邊緣的垂直距離為25 mm，此距離用來體現定位撥塊內孔位置的一個參數。把撥塊的凸角部分放置到定位板卡槽中，留0.5 mm的放置間隙。將長條形壓板（130 mm×30 mm×15 mm）均勻豎直地壓在撥塊上，用2 個M8 螺栓進行固定鎖緊即可。對應夾具設計的要求，此動作較為迅速，且操作方便、安全、省力。因整個夾具裝置處于基礎件左上方位置，即重心有所偏移，考慮到裝置的旋轉穩定性，在基礎件右下方空白處加裝一個尺寸、重量合適的平衡塊，來保證夾具體在運轉過程中的動態平衡。

圖2 定位板零件

3.4 定位原理分析

假設在整套夾具設計中，以基礎件表面為底面、中心為原點，建立如圖3 所示的空間直角坐標系。從六點定位原理的角度分析，因工件的位置需完全確定下來，所以本裝置采用完全定位的形式，基礎件支撐著撥塊，限制了零件沿Z 軸移動、繞X 軸、Y 軸旋轉的3個自由度；在前者限制的基礎上，定位板與撥塊的A 面接觸，限制了零件沿X 軸移動、繞Z 軸轉動的2 個自由度；定位板的卡槽與撥塊的D 面接觸，限制了零件沿Y 軸的移動。這樣撥塊的6個自由度被完全限制，位置也就確定了[4]。

圖3 夾具三維立體裝配

3.5 定位誤差分析

撥塊的A 面緊貼定位板，只需將定位板按位置要求精確地安裝在基礎件上，X 軸方向上的誤差則會趨于零。因為夾具是長期使用，為了方便更換零件，須在定位板卡槽部分留有一定的放置間隙，這樣在Y 軸方向上，便會產生一定量的定位誤差。但內孔是以D 面為參考基準，所以只需將撥塊D 面緊貼卡槽，Y 軸方向的誤差便會趨于零。夾具各零件各表面都需要進行精加工，尤其是基礎件的上表面及定位板的各表面較為重要。因為工件上的定位基準面是要與定位元件的工作表面貼合形成定位副，定位副的制造精度會直接影響到撥塊內孔的定位精度。所以，可通過以上方式來減小夾具的定位誤差。

4 切削力及夾緊力計算

4.1 切削力計算

為方便切削，刀具選擇YT5 的硬質合金內孔刀[5]。經查表：

其中，Fc為圓周切削力；Fp為徑向切削力；Ff為軸向切削力；ap為切削深度，取ap=1 mm；Kc為主切削力修正系數；Kp為背向力修正系數；Kf為進給力修正系數；f 為摩擦因數，取f=0.925。

通過查表計算取：Kc=1.2，Kp=1.41，Kf=1.88。則Fc=841 N，Fp=480 N，Ff=425 N。

4.2 夾緊力計算

考慮到安全系數，由夾具設計手冊得：

其中，K1為基本安全系數，取K1=1.6；K2為加工屬性系數，取K2=1.1；K3為刀具鈍化系數，取K3=1.2；K4為繼續切削系數，取K4=1.1；K5 為夾緊所需穩定系數，取K5=1.2。

所以，K=K1×K2×K3×K4×K5=2.7。

查夾具設計手冊計算得，切削力最大值F=1058 N。則零件所需夾緊力WK=K×F=2.7×1058=2857 N。

通過查詢機床夾具設計手冊可知：壓板處M8 粗牙螺紋可提供21.2 kN[6]，該數據遠大于零件所需夾緊力2857 N，所以該專用夾具可以滿足車削內孔的夾緊力需求，證明該夾具可用。

5 總結

本文在介紹用機床加工撥塊的同時，通過三維建模對夾具進行立體的構建，直觀呈現出車床夾具結構的可靠性，解決了零件定位裝夾等工藝問題，可以提高撥塊的加工質量和生產效率，也能夠應用到實際生產當中。該方案能夠有效減少加工時間，降低勞動強度和材料成本，為更多類似零件的生產提供工裝方案。也可以將此方案引用到職業教育教學，作為學生實踐教學的一種任務考核，不僅可以探索實訓課程的改革，更能提升教學質量，體現創新型工程訓練的成果。