蔣君榮 尹 洋 蘇 蓉 袁煥君 張 強(qiáng)

(①西華大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，四川成都 610039;②解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 454003)

彈簧夾頭是機(jī)械加工工業(yè)中常用的一種夾緊定位工具。由于其具有自定心夾緊功能，即定位和夾緊是同一元件［1］，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用很方便，所以在機(jī)械加工中得到了廣泛的應(yīng)用。

在機(jī)械加工中，許多彈簧夾頭都應(yīng)用于對(duì)精加工表面的夾持，例如刀柄的夾持。由于精加工表面的尺寸和粗糙度要求都比較高，所以?shī)A頭的尺寸可以標(biāo)準(zhǔn)化。但對(duì)于毛坯表面來(lái)說(shuō)，由于其公差大，表面粗糙度低，其夾持情況和精加工表面的夾持情況有很大的差別。其設(shè)計(jì)就必須和實(shí)際情況相結(jié)合，根據(jù)具體的要求來(lái)設(shè)計(jì)夾具，否則使用效果就很難達(dá)到要求。

摩擦焊接是一種清潔高效的焊接方法［2］，整個(gè)焊接過(guò)程都是在被焊金屬熔點(diǎn)以下形成的，所以摩擦焊屬于固體焊接。它操作簡(jiǎn)單，焊接質(zhì)量高，并且可以實(shí)現(xiàn)不同金屬間的焊接，所以在汽車(chē)零部件、大型航空結(jié)構(gòu)件等的焊接中得到廣泛的應(yīng)用。

1 摩擦焊工作原理

摩擦焊是兩個(gè)待焊工件的焊接面相互接觸旋轉(zhuǎn)，發(fā)生摩擦生熱，結(jié)合面受熱發(fā)生塑性變形及流動(dòng)，在一定壓力下，通過(guò)界面元素?cái)U(kuò)散和再結(jié)晶冶金反應(yīng)而結(jié)合為整體的焊接方法。此處主要講慣性摩擦焊，慣性摩擦焊的工作簡(jiǎn)圖如圖1所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)主軸帶動(dòng)飛輪，夾具和左邊的工件旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，液壓缸推動(dòng)移動(dòng)夾具，使右端的工件壓緊左端工件，然后松開(kāi)主軸，靠飛輪的慣性進(jìn)行摩擦焊接，當(dāng)摩擦力使飛輪停止并頂鍛一段時(shí)間后，焊接完成。

2 摩擦焊接中遇到的問(wèn)題

如圖2所示，1是彈簧夾頭，2和3是某型號(hào)渦輪軸的軸和葉輪。夾頭固定在主軸上，通過(guò)內(nèi)孔面4和軸面8夾緊軸并帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。六方7用于阻止葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)面9將葉輪3和軸2壓在一起，讓焊接面5和6緊緊接觸摩擦，達(dá)到焊接的目的。

當(dāng)機(jī)床和參數(shù)確定后，能夠保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，最大的困難就是夾頭不耐用，一個(gè)國(guó)產(chǎn)夾頭只能加工一千多件零件，而一個(gè)月產(chǎn)量最少就是3萬(wàn)件，成本太高(一個(gè)夾頭1 850元左右)，質(zhì)量也不好控制(夾頭打滑就會(huì)報(bào)廢零件)，改用某種型號(hào)進(jìn)口夾頭后，一個(gè)夾頭能生產(chǎn)15 000件左右，但一個(gè)夾頭成本高于15 000元人民幣，成本并不能降低且購(gòu)買(mǎi)也比較困難，改進(jìn)夾頭設(shè)計(jì)就勢(shì)在必行。

3 原來(lái)設(shè)計(jì)的夾頭

最早設(shè)計(jì)的夾頭如圖2所示，夾持孔尺寸φ10+0.01mm，夾持面4和夾頭是一個(gè)整體，材料均是合金鋼，夾持面上開(kāi)齒，進(jìn)行表面熱處理，硬度達(dá)到55 HRC以上。這樣的夾頭極不耐用，夾持面4磨損很快，只能加工一千件左右，夾頭就報(bào)廢了。

第一次改進(jìn):假設(shè)夾持面4磨損快是夾頭失效的主要原因，將夾持面4改為鑲嵌硬質(zhì)合金，由于硬質(zhì)合金硬度高，耐磨［3］，這樣就可以解決夾持面4磨損快的問(wèn)題，但實(shí)際效果也并不理想，改進(jìn)后也只能加工不超過(guò)2 000件，夾頭就開(kāi)始打滑。

4 原因分析

(1)夾套的結(jié)構(gòu)［1－4］

夾套一般由3部分組成，卡爪，簧片，導(dǎo)向拉伸部分，如圖3所示。卡爪用于夾持工件，錐面要不斷摩擦，因此要求硬度高，耐磨，所以一般硬度在50～55 HRC?；善饕箍ㄗ貜?，因此必須要有彈性和耐疲勞，一般將其回火至40～45 HRC。導(dǎo)向拉伸部分主要用于卡爪承受拉伸力并導(dǎo)向。

夾持面鑲有硬質(zhì)合金，見(jiàn)圖4，硬質(zhì)合金堅(jiān)硬耐磨，可以保證夾持面不變形，使夾套具有良好的重復(fù)使用性。

(2)夾頭工作原理

夾頭是利用定位錐面和拉緊或壓緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊，利用其本身的結(jié)構(gòu)精度和自定心功能來(lái)實(shí)現(xiàn)定心。由于它具有“均分公差”的特點(diǎn)，所以在工件外徑變化比較大的情況下也能比較好地定心。

從理論上分析可知，卡瓣越多，其夾緊效果就會(huì)越好，因?yàn)榭ɑ珊凸ぜ慕佑|面積就會(huì)越大。但卡瓣越多，夾頭就會(huì)越軟，強(qiáng)度就會(huì)更低，有時(shí)甚至在松開(kāi)工件時(shí)不能彈回原來(lái)的位置。

而摩擦焊所用的夾頭基本都是強(qiáng)力夾頭，一般均設(shè)計(jì)成三瓣，夾頭體較硬。而卡簧內(nèi)孔和工件外圓又不可能具有完全相同的尺寸，假設(shè)工件的外圓比卡簧的內(nèi)孔大(夾頭未開(kāi)槽時(shí)的最終磨削內(nèi)孔)，就會(huì)出現(xiàn)圖5的情況，即靠近拉緊端的尾部先夾緊(如圖5a所示)，單個(gè)卡簧片的情況如圖5b所示，邊緣兩端先接觸。反之就會(huì)出現(xiàn)圖6的情況，彈簧夾頭前端先接觸工件(如圖6a所示)，單個(gè)卡簧片的情況如圖6b所示，卡簧片中部先接觸工件。

這兩種情況的出現(xiàn)都會(huì)引起夾持接觸面減小，摩擦力不足，進(jìn)而產(chǎn)生工件打滑的現(xiàn)象。而圖5和圖6不同點(diǎn)在于，圖5可以將因摩擦面的正壓力而增加夾持面的摩擦力，而出現(xiàn)圖6的情況就會(huì)使夾頭立即失效。

(3)實(shí)際情況分析

渦輪軸夾持部位的設(shè)計(jì)尺寸是φ10+0.2mm，現(xiàn)場(chǎng)抽檢200件，尺寸基本在φ10.06±0.02 mm范圍內(nèi)，而夾頭內(nèi)孔是磨削成標(biāo)準(zhǔn)尺寸φ10+0.01mm，內(nèi)孔表面粗糙度優(yōu)于Ra0.8 μm。

單從工件和夾頭的尺寸看，設(shè)計(jì)似乎沒(méi)有問(wèn)題，但此處是毛坯夾持，和夾持精加工表面有很大的區(qū)別。毛坯外表面有很大的粗糙度值，而表面粗糙度影響零件的接觸剛度［6］，接觸剛度是零件結(jié)合面在外力作用下，抵抗接觸變形的能力。所以根據(jù)粗糙度的定義(見(jiàn)圖7)推測(cè)，在壓力足夠大的情況下，理論上毛坯表面上是可以最大被壓下一個(gè)粗糙度值的。渦輪軸夾持面表面粗糙度值為Rz40～63 μm，圓柱體是雙邊，如果假設(shè)正確，那么當(dāng)前的情況就可能是圖6，符合夾頭失效的條件。

5 設(shè)計(jì)策略

根據(jù)理論分析，在夾套其他尺寸不變的基礎(chǔ)上，將夾套內(nèi)孔的設(shè)計(jì)尺寸改為φ9.96－0.01 mm(此處假設(shè)平均粗糙度為Rz50 μm)，稱(chēng)1號(hào)設(shè)計(jì)。

為了驗(yàn)證圖5的影響，再設(shè)計(jì)兩種夾頭，一種內(nèi)孔為φ9.9+0.01 mm，稱(chēng)為2號(hào)設(shè)計(jì)。另一種內(nèi)孔為φ9.8+0.01 mm，稱(chēng)之為3號(hào)設(shè)計(jì)。

6 實(shí)踐驗(yàn)證

(1)1號(hào)設(shè)計(jì)

取2個(gè)新夾頭，標(biāo)記1號(hào)和2號(hào)。1號(hào)夾頭在連續(xù)加工4 750件左右時(shí)出現(xiàn)打滑跡象，遂將夾頭換下，換上2號(hào)新夾頭使用，2號(hào)加工4 500件時(shí)，再換上1號(hào)夾頭使用，如此交換使用，每個(gè)夾頭使用超過(guò)15 000件后，才開(kāi)始真正打滑，此處按15 000件算。

(2)2號(hào)設(shè)計(jì)

使用方法如1，但新夾頭第一次只使用2 000件時(shí)就出現(xiàn)打滑跡象，但第二次，第三次使用時(shí)加工零件的件數(shù)會(huì)逐漸增多(出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象應(yīng)該是夾持面接觸面積比1號(hào)設(shè)計(jì)的小，壓強(qiáng)更大，磨損更快，夾頭內(nèi)孔逐漸變大的緣故)，到12 000件左右時(shí)，尾部硬質(zhì)合金開(kāi)始脫落，夾頭不能再用。

(3)3號(hào)設(shè)計(jì)

使用方法如1，新夾頭只使用不到1 000件零件時(shí)就出現(xiàn)打滑，累計(jì)使用不超過(guò)3 000件時(shí)，尾部硬質(zhì)合金開(kāi)始脫落，夾頭報(bào)廢。

7 改進(jìn)后效果

綜合以上設(shè)計(jì)(包括硬質(zhì)合金的微量磨損)，將夾頭內(nèi)孔定為φ9.95±0.01 mm，連續(xù)使用3個(gè)月，情況很穩(wěn)定，下表是改進(jìn)夾頭設(shè)計(jì)后的成本對(duì)比。

表1 改進(jìn)前后夾頭成本對(duì)比

通過(guò)表1可以看出，改進(jìn)后效果是比較顯著的，夾頭的耐用度大幅度提高，這樣既減少了換夾頭的次數(shù)，也減少了工件的報(bào)廢量。在降低夾頭制造難度的基礎(chǔ)上(制造公差增大一倍)，只做了小小的改動(dòng)而取得了比較理想的效果，它充分證明了，在毛坯夾持中，接觸剛度是一個(gè)很重要的因素，這就決定了Rz是不可忽略的。另外也說(shuō)明了設(shè)計(jì)必須和實(shí)際情況相結(jié)合，當(dāng)實(shí)際情況變化時(shí)，設(shè)計(jì)也必須隨之而改變。

8 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例對(duì)彈簧夾頭在摩擦焊中的使用情況進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，闡明了在需要大力夾持毛坯表面的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)就必須將工件的表面粗糙度Rz考慮進(jìn)去，根據(jù)具體的工件尺寸進(jìn)行夾頭設(shè)計(jì)。當(dāng)然，夾頭設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一個(gè)很小的因素就會(huì)對(duì)夾頭的使用性能產(chǎn)生很大的影響，還需要具體問(wèn)題具體分析，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量低成本的目的。

［1］李昌年.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與制造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:106－110.

［2］摩擦焊 http://wenku.baidu.com/view/68057f3c376baf1ffc4fadcb.html［DB/OL］.

［3］硬質(zhì)合金 http://baike.baidu.com/view/22604.htm［DB/OL］.

［4］郝靜華.彈性?shī)A頭自動(dòng)定心裝置與夾緊力的計(jì)算分析［J］.工具技術(shù)，2010(11):83－85.

［5］徐發(fā)仁.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1991:64－65.

［6］表面粗糙度 http://www.yzw.cc/baike/citiao－392.html［DB/OL］.