一種多角度零件加工夾具的設計*

張天坤，郭崇斌，孫旭陽，支鐵山

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著科技進步和社會生產力的提高，制造行業飛速發展，夾具已經從一種輔助工具發展成為了種類繁多的工藝裝備。行業中，機床加工的應用非常廣泛，而夾具裝夾又是機床加工中必不可少的一個環節，它是保證零件質量精度的重要前提，選擇合適的機床夾具能夠極大地減輕工人師傅們的勞動強度，同時提高機床加工的自動化程度，進而提高企業生產效率[1]。

機床夾具是一種重要工藝裝備。它是確保工件定位準確，使得工件相對于機床以及刀具獲得正確位置的重要前提。夾具在機械行業中又被稱為卡具，主要由定位機構、夾緊機構、對刀及引導裝置、中間連接機構以及夾具主體機構組成[2]。機床夾具是在車削、鏜削、銑削、鉆削、磨削等機床上使用的夾具，也是機械行業應用最多的夾具。使用機床夾具裝夾，能夠快速定位夾緊，無需人工再耗時耗力手動找正夾緊，既可以提高裝夾自動化程度、減少加工的輔助時間，又可以減輕工人師傅們的勞動強度、提高加工效率。

機床上，夾具的主要作用就是對工件進行夾緊定位，使得機床、刀具、工件三者確立正確的位置關系[3]。在大批量生產中，針對機床結構特點及被加工件材料形狀而設計的專用機床夾具可以有效縮短輔助工時，在保證加工精度的同時可以提高生產效率。現階段，傳統機床夾具在面對同一零件不同端面以及同一端面不同工步加工的裝夾時，只能取下零件重新裝夾定位，然后才能繼續加工，這樣不僅會延長加工周期還會影響定位精度，增大工件誤差，存在一定的改進空間。因此，在保證加工精度的前提下，設計一種可以實現一次裝夾多位置、多角度加工的可調節式專用機床夾具非常有必要。

1 零件技術要求

1.1 零件的結構特點及作用

套筒零件是一種較為常見的機械零部件，其最顯著的結構特點為：零件的長度一般大于直徑且零件壁厚相對較薄，易變形。其被廣泛地運用于各種滑動件的連接以及轉動座底部固定、各種液壓機構、汽車發動機的氣缸、引導刀具切削的導向元件、鋼管與鑄鐵管的連接等。支架套筒零件是支撐架上面的套筒件，可以與其他旋轉支架相互配合使用，實現一定角度的轉動。

1.2 零件的技術要求

支架套筒零件圖如圖1 所示，支架套筒零件的技術要求如下。

圖1 支架套筒零件圖

1）內孔的技術要求。支架套筒的內孔是整個零件的重要支撐表面，它與其他零件直接接觸，比如旋轉軸，因此精度等級一般為IT7，支架套筒孔表面粗糙度技術要求Ra為2.5 μm~0.16 μm，有的要求更高，表面粗糙度Ra為0.04 μm。

2）外圓表面技術要求。外圓表面也是套筒零件的重要表面，它與其他零件表面相互接觸，因此需要控制其精度等級為IT7~IT6。外形尺寸必須要在公差允許的范圍之內，表面粗糙度技術要求Ra一般為0.04 μm。

3）支架套筒左右端面通孔與外圓表面的同軸度要求。為了保證旋轉軸與支架套筒的配合關系，在加工過程中需要保證支架套筒左右端面通孔與外圓表面的同軸度要求，查閱相關資料可知：同軸度要求一般為0.01 mm~0.05 mm。

4）支架套筒內孔與左端面、右端面的垂直度要求。由于該零件為支架套筒，故左端面及右端面在實際使用中會受到力的作用，為了保證受力均勻防止受力不均勻導致零件變形，在加工支架套筒時，必須要保證支架套筒內孔與左端面、右端面的垂直度，通常情況下，垂直度要求為0.02 mm~0.05 mm。

5）兩端面及其他部位的表面粗糙度Ra為5 μm。

1.3 加工方式的選擇

與其他復雜結構的零件不同，支架套筒零件的結構相對較為簡單，相應的，支架套筒零件的加工也相對較為簡單，其主要加工表面有：左端面、右端面的銑削加工，左端面通孔、右端面通孔的鏜削加工，支架套筒外圓面的車削加工等。具體加工方式選擇及安排如下。

1）支架套筒外圓表面的加工。根據外圓表面尺寸、材料以及加工精度等不同加工要求，支架套筒外圓面在加工時可以選擇多種加工方式。其中，在車床上的車削加工應用最為廣泛。查閱相關資料可知：車削加工時，在粗車工序加工支架套筒外圓面其精度等級可以達到IT12~IT11，表面粗糙度Ra可以達到50 μm~12.5 μm。在半精車加工工序中，精度等級可以達到IT10~IT7，表面粗糙度Ra可以達到10 μm~0.16 μm。在精車加工工序中，精度等級可以達到IT8~IT7，表面粗糙度Ra可以達到1.6 μm~0.8 μm。在高速細精車的加工工序中，精度等級可以達到IT6~IT5，表面粗糙度Ra可以達到1.0 μm~0.1 μm。如果采用磨床磨削的加工方式來加工支架套筒，那么其精度等級為IT7~IT5，表面粗糙度Ra可以達到0.8 μm~0.2 μm，另外，高精度磨削工序其表面粗糙度要求為0.1 μm~0.006 μm，達到了相對較高的表面粗糙度要求。如果使用光整加工的加工方式來加工支架套筒，那么在研磨工序中，支架套筒外圓面的表面粗糙度為0.025 μm，最后再經過拋光工序，支架套筒外圓面的表面粗糙度Ra可達到0.4 μm。在此支架套筒零件中，外圓面的表面粗糙度Ra分別為5 μm、2.5 μm，因此選擇車削加工套筒外圓面就可以達到其技術要求。

2）左端面、右端面的加工。由上述支架套筒的技術要求可知，該支架套筒左端面和右端面的表面粗糙度要求都為5 μm，可以選擇在立式、臥式或者萬能銑床上進行銑削加工，查閱相關資料可以得到：銑床銑削加工的精度等級為IT11~IT13，表面粗糙度Ra可以達到5 μm~20 μm，故選用立式、臥式以及萬能銑床來加工該支架套筒滿足其技術要求。

3）左右端面通孔的加工。為了保證支架套筒外圓面通孔的精度和表面質量，將先后經過粗鏜、半精鏜、精鏜和滾壓四道加工（零件毛坯為45 號無縫鋼管）。其中，經過粗鏜工序加工后，支架套筒的精度等級可以達到IT9~IT7，表面粗糙度Ra可以達到2.5 μm~0.16 μm，然后再經過精鏜工序加工后，支架套筒的精度等級可達到IT8~IT7，表面粗糙度Ra可以達到1.68 μm~0.8 μm，最后再經過滾壓加工工序，支架套筒的表面粗糙度Ra最終可到達0.4 μm~3.2 μm，滿足支架套筒端面加工的精度要求和表面粗糙度技術要求。

2 夾具工作原理

夾具結構設計圖如圖2 所示。夾具的工作原理為：電機2與傳動絲杠12固定連接，傳動絲杠12 為正反牙螺旋絲杠。通過電機2 帶動傳動絲杠12，同時與傳動絲杠12 螺旋傳動配合的左右滑動塊10 在底座的直線滑軌內相對滑動。左右滑動塊10 上轉動連接有改制V 型塊8，左右滑動塊10 滑動到一定位置時，預置于定位平臺上的工件與滑動塊10 上轉動連接的改制V 型塊8 相互抵接，此時滑動塊上的兩個壓板11 推壓定位平臺6，定位平臺6 內部的壓簧向下壓縮使工件脫離定位平臺6 且改制V 型塊8 與工件完全抵接，完成對工件的夾緊定位[4]。以支架套筒內孔鏜削加工為例：鏜削完左端孔Φ500+0.027后，可通過手搖桿轉動工件角度，使得右端待加工通孔旋轉至刀具處，然后加工右端孔Φ840+0.027。豎直方向上，偏心輪結構13也可實現豎直方向上的角度調節。此外，當工件為斜面零件時，可以通過手搖桿調整至任意合適的角度，然后配合刀具對零件進行加工[5]。所設計夾具的創新點在于：可通過手搖桿調節零件與夾具頭的角度，使零件與刀具之間可形成任意角度位置，可調節角度至任意合適的加工位置，有效解決加工軸類件兩端面需要重新二次裝夾以及帶坡面零件的表面加工裝夾問題，可有效縮短加工過程中的輔助時間，提高生產效率。

圖2 夾具結構設計圖

3 夾具的設計

3.1 定位機構設計

夾具定位機構設計圖如圖3 所示。夾具的定位機構主要由限位銷、定位板6、定位底座7、彈簧件21以及固定螺栓22 等零部件組成。限位銷選擇304 不銹鋼Φ8×M6×16 型國標緊固件，定位板、定位底座原材料為沖裁鋼板，固定螺栓選擇標準件M8 螺栓，具體設計為：四個限位銷分別固定在定位板四周，用于對工件的限位，定位板與定位底座間隙配合，壓簧置于定位板和定位底座之間，且壓簧受力后可沿豎直方向壓縮[6]，固定螺栓M8用于對壓簧的限位固定[7]。

圖3 夾具定位機構設計圖

3.2 傳動機構的設計

傳動機構設計圖如圖4 所示。傳動機構設計為正反牙絲杠傳動。采用電動的方式，通過電機2 帶動傳動絲杠12 傳遞動力，初設絲杠工作時所承受的最大載荷為F=60 kN，傳動時的直線速度為v1=0.15 m/s，行程L=1 500 mm。考慮傳動的穩定性及對中性，采用牙型角為30°的單線梯形螺紋絲杠（n=1），傳動件材料預選為45 鋼[8]。

圖4 傳動機構設計圖

3.3 夾緊機構的設計

夾緊機構設計圖如圖5 所示。夾緊機構主要由夾緊滑塊、軸承、改制V 型塊、固定螺栓、推壓機構等組成。具體設計為：改制V 型塊通過中間連接軸、軸承與左右夾緊滑塊間隙配合，固定螺栓用于對改制V型塊的固定，推壓機構由推壓三角板、推壓軸、固定螺栓組成，可以實現對定位板的受力推壓。出于操作安全、夾緊方便以及滿足大批量生產加工方面的考慮，本夾具采用了自動推壓[9]、手動夾緊的夾緊方式。

圖5 夾緊機構設計圖

3.4 其他中間機構的設計

其他中間機構設計包括滑動塊、底板、支撐底座、定位平臺底座、滑動塊滑軌等非標準件設計以及螺栓、軸承等標準件的選擇。在本機構中，滑動塊與滑動塊滑軌共同組成了相對運動部件，通過手動夾緊的方式轉動手搖桿，使左右兩塊滑動塊沿滑動塊滑軌相對運動，并實現對零件的夾緊[10]。各中間機構的連接采用M6、M8 沉孔螺栓連接，選用沉孔螺栓主要是為了保證底板表面平整。

4 結語

本設計主要為多角度零件加工夾具的結構設計，通過手輪調節設計和凸輪調節設計的共同作用，使得機床夾具對工件的裝夾角度可根據實際情況作出調整，提高了夾具的多角度調節能力。解決了加工同一工件不同端面以及同一端面不同位置需重新裝夾、找準定位的問題。該夾具系統的設計整體提高了機床夾具使用的實用性和多功能性。在大批量生產中，此夾具可有效縮短輔助工時，可以有效提高生產效率。