張?zhí)炖?，郭崇斌，孫旭陽(yáng)，支鐵山

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著科技進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的提高，制造行業(yè)飛速發(fā)展，夾具已經(jīng)從一種輔助工具發(fā)展成為了種類(lèi)繁多的工藝裝備。行業(yè)中，機(jī)床加工的應(yīng)用非常廣泛，而夾具裝夾又是機(jī)床加工中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，它是保證零件質(zhì)量精度的重要前提，選擇合適的機(jī)床夾具能夠極大地減輕工人師傅們的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高機(jī)床加工的自動(dòng)化程度，進(jìn)而提高企業(yè)生產(chǎn)效率[1]。

機(jī)床夾具是一種重要工藝裝備。它是確保工件定位準(zhǔn)確，使得工件相對(duì)于機(jī)床以及刀具獲得正確位置的重要前提。夾具在機(jī)械行業(yè)中又被稱(chēng)為卡具，主要由定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、對(duì)刀及引導(dǎo)裝置、中間連接機(jī)構(gòu)以及夾具主體機(jī)構(gòu)組成[2]。機(jī)床夾具是在車(chē)削、鏜削、銑削、鉆削、磨削等機(jī)床上使用的夾具，也是機(jī)械行業(yè)應(yīng)用最多的夾具。使用機(jī)床夾具裝夾，能夠快速定位夾緊，無(wú)需人工再耗時(shí)耗力手動(dòng)找正夾緊，既可以提高裝夾自動(dòng)化程度、減少加工的輔助時(shí)間，又可以減輕工人師傅們的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高加工效率。

機(jī)床上，夾具的主要作用就是對(duì)工件進(jìn)行夾緊定位，使得機(jī)床、刀具、工件三者確立正確的位置關(guān)系[3]。在大批量生產(chǎn)中，針對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及被加工件材料形狀而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用機(jī)床夾具可以有效縮短輔助工時(shí)，在保證加工精度的同時(shí)可以提高生產(chǎn)效率。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)機(jī)床夾具在面對(duì)同一零件不同端面以及同一端面不同工步加工的裝夾時(shí)，只能取下零件重新裝夾定位，然后才能繼續(xù)加工，這樣不僅會(huì)延長(zhǎng)加工周期還會(huì)影響定位精度，增大工件誤差，存在一定的改進(jìn)空間。因此，在保證加工精度的前提下，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾多位置、多角度加工的可調(diào)節(jié)式專(zhuān)用機(jī)床夾具非常有必要。

1 零件技術(shù)要求

1.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及作用

套筒零件是一種較為常見(jiàn)的機(jī)械零部件，其最顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：零件的長(zhǎng)度一般大于直徑且零件壁厚相對(duì)較薄，易變形。其被廣泛地運(yùn)用于各種滑動(dòng)件的連接以及轉(zhuǎn)動(dòng)座底部固定、各種液壓機(jī)構(gòu)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸、引導(dǎo)刀具切削的導(dǎo)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(zhuǎn)支架相互配合使用，實(shí)現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 零件的技術(shù)要求

支架套筒零件圖如圖1 所示，支架套筒零件的技術(shù)要求如下。

圖1 支架套筒零件圖

1）內(nèi)孔的技術(shù)要求。支架套筒的內(nèi)孔是整個(gè)零件的重要支撐表面，它與其他零件直接接觸，比如旋轉(zhuǎn)軸，因此精度等級(jí)一般為IT7，支架套筒孔表面粗糙度技術(shù)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(shù)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(jí)為IT7~IT6。外形尺寸必須要在公差允許的范圍之內(nèi)，表面粗糙度技術(shù)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(zhuǎn)軸與支架套筒的配合關(guān)系，在加工過(guò)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(guān)資料可知：同軸度要求一般為0.01 mm~0.05 mm。

4）支架套筒內(nèi)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(shí)際使用中會(huì)受到力的作用，為了保證受力均勻防止受力不均勻?qū)е铝慵冃?，在加工支架套筒時(shí)，必須要保證支架套筒內(nèi)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件不同，支架套筒零件的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，相應(yīng)的，支架套筒零件的加工也相對(duì)較為簡(jiǎn)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(chē)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(jù)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(shí)可以選擇多種加工方式。其中，在車(chē)床上的車(chē)削加工應(yīng)用最為廣泛。查閱相關(guān)資料可知：車(chē)削加工時(shí)，在粗車(chē)工序加工支架套筒外圓面其精度等級(jí)可以達(dá)到IT12~IT11，表面粗糙度Ra可以達(dá)到50 μm~12.5 μm。在半精車(chē)加工工序中，精度等級(jí)可以達(dá)到IT10~IT7，表面粗糙度Ra可以達(dá)到10 μm~0.16 μm。在精車(chē)加工工序中，精度等級(jí)可以達(dá)到IT8~IT7，表面粗糙度Ra可以達(dá)到1.6 μm~0.8 μm。在高速細(xì)精車(chē)的加工工序中，精度等級(jí)可以達(dá)到IT6~IT5，表面粗糙度Ra可以達(dá)到1.0 μm~0.1 μm。如果采用磨床磨削的加工方式來(lái)加工支架套筒，那么其精度等級(jí)為IT7~IT5，表面粗糙度Ra可以達(dá)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(dá)到了相對(duì)較高的表面粗糙度要求。如果使用光整加工的加工方式來(lái)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(jīng)過(guò)拋光工序，支架套筒外圓面的表面粗糙度Ra可達(dá)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(chē)削加工套筒外圓面就可以達(dá)到其技術(shù)要求。

2）左端面、右端面的加工。由上述支架套筒的技術(shù)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(wàn)能銑床上進(jìn)行銑削加工，查閱相關(guān)資料可以得到：銑床銑削加工的精度等級(jí)為IT11~IT13，表面粗糙度Ra可以達(dá)到5 μm~20 μm，故選用立式、臥式以及萬(wàn)能銑床來(lái)加工該支架套筒滿(mǎn)足其技術(shù)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(zhì)量，將先后經(jīng)過(guò)粗鏜、半精鏜、精鏜和滾壓四道加工（零件毛坯為45 號(hào)無(wú)縫鋼管）。其中，經(jīng)過(guò)粗鏜工序加工后，支架套筒的精度等級(jí)可以達(dá)到IT9~IT7，表面粗糙度Ra可以達(dá)到2.5 μm~0.16 μm，然后再經(jīng)過(guò)精鏜工序加工后，支架套筒的精度等級(jí)可達(dá)到IT8~IT7，表面粗糙度Ra可以達(dá)到1.68 μm~0.8 μm，最后再經(jīng)過(guò)滾壓加工工序，支架套筒的表面粗糙度Ra最終可到達(dá)0.4 μm~3.2 μm，滿(mǎn)足支架套筒端面加工的精度要求和表面粗糙度技術(shù)要求。

2 夾具工作原理

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。夾具的工作原理為：電機(jī)2與傳動(dòng)絲杠12固定連接，傳動(dòng)絲杠12 為正反牙螺旋絲杠。通過(guò)電機(jī)2 帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠12，同時(shí)與傳動(dòng)絲杠12 螺旋傳動(dòng)配合的左右滑動(dòng)塊10 在底座的直線(xiàn)滑軌內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)。左右滑動(dòng)塊10 上轉(zhuǎn)動(dòng)連接有改制V 型塊8，左右滑動(dòng)塊10 滑動(dòng)到一定位置時(shí)，預(yù)置于定位平臺(tái)上的工件與滑動(dòng)塊10 上轉(zhuǎn)動(dòng)連接的改制V 型塊8 相互抵接，此時(shí)滑動(dòng)塊上的兩個(gè)壓板11 推壓定位平臺(tái)6，定位平臺(tái)6 內(nèi)部的壓簧向下壓縮使工件脫離定位平臺(tái)6 且改制V 型塊8 與工件完全抵接，完成對(duì)工件的夾緊定位[4]。以支架套筒內(nèi)孔鏜削加工為例：鏜削完左端孔Φ500+0.027后，可通過(guò)手搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)工件角度，使得右端待加工通孔旋轉(zhuǎn)至刀具處，然后加工右端孔Φ840+0.027。豎直方向上，偏心輪結(jié)構(gòu)13也可實(shí)現(xiàn)豎直方向上的角度調(diào)節(jié)。此外，當(dāng)工件為斜面零件時(shí)，可以通過(guò)手搖桿調(diào)整至任意合適的角度，然后配合刀具對(duì)零件進(jìn)行加工[5]。所設(shè)計(jì)夾具的創(chuàng)新點(diǎn)在于：可通過(guò)手搖桿調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)角度至任意合適的加工位置，有效解決加工軸類(lèi)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(wèn)題，可有效縮短加工過(guò)程中的輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

圖2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 夾具的設(shè)計(jì)

3.1 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。夾具的定位機(jī)構(gòu)主要由限位銷(xiāo)、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(xiāo)選擇304 不銹鋼Φ8×M6×16 型國(guó)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)件M8 螺栓，具體設(shè)計(jì)為：四個(gè)限位銷(xiāo)分別固定在定位板四周，用于對(duì)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(duì)壓簧的限位固定[7]。

圖3 夾具定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為正反牙絲杠傳動(dòng)。采用電動(dòng)的方式，通過(guò)電機(jī)2 帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠12 傳遞動(dòng)力，初設(shè)絲杠工作時(shí)所承受的最大載荷為F=60 kN，傳動(dòng)時(shí)的直線(xiàn)速度為v1=0.15 m/s，行程L=1 500 mm?？紤]傳動(dòng)的穩(wěn)定性及對(duì)中性，采用牙型角為30°的單線(xiàn)梯形螺紋絲杠（n=1），傳動(dòng)件材料預(yù)選為45 鋼[8]。

圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.3 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。夾緊機(jī)構(gòu)主要由夾緊滑塊、軸承、改制V 型塊、固定螺栓、推壓機(jī)構(gòu)等組成。具體設(shè)計(jì)為：改制V 型塊通過(guò)中間連接軸、軸承與左右?jiàn)A緊滑塊間隙配合，固定螺栓用于對(duì)改制V型塊的固定，推壓機(jī)構(gòu)由推壓三角板、推壓軸、固定螺栓組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定位板的受力推壓。出于操作安全、夾緊方便以及滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)加工方面的考慮，本夾具采用了自動(dòng)推壓[9]、手動(dòng)夾緊的夾緊方式。

圖5 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.4 其他中間機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

其他中間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括滑動(dòng)塊、底板、支撐底座、定位平臺(tái)底座、滑動(dòng)塊滑軌等非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)以及螺栓、軸承等標(biāo)準(zhǔn)件的選擇。在本機(jī)構(gòu)中，滑動(dòng)塊與滑動(dòng)塊滑軌共同組成了相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)手動(dòng)夾緊的方式轉(zhuǎn)動(dòng)手搖桿，使左右兩塊滑動(dòng)塊沿滑動(dòng)塊滑軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的夾緊[10]。各中間機(jī)構(gòu)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(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要為多角度零件加工夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)手輪調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)和凸輪調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的共同作用，使得機(jī)床夾具對(duì)工件的裝夾角度可根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整，提高了夾具的多角度調(diào)節(jié)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(zhǔn)定位的問(wèn)題。該夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體提高了機(jī)床夾具使用的實(shí)用性和多功能性。在大批量生產(chǎn)中，此夾具可有效縮短輔助工時(shí)，可以有效提高生產(chǎn)效率。