葉片泵轉子葉片槽的分度銑床夾具設計
2017-7-7 來源：北京工商大學材料與機械工程學院 作者：劉玉德，侯亞茹，吳 剛，張 浩，王 碩
摘要：設計用于臥式銑床加工的葉片泵轉子葉片槽的分度銑床夾具，銑刀每次加工一個槽，通過分度裝置使工件轉動一定角度到達加工位置，依次完成其它槽的加工。
關鍵字：葉片泵；分度；銑床；夾具
0.引言
夾具最早出現在 18 世紀后期， 隨著科學技術的不斷進步，夾具已從一種輔助工具發展成為門類齊全的工藝裝備。 夾具可快速、方便地將工件安裝到指定位置，大幅提高了產品精度，使工藝更加便捷
，使用相當廣泛。 按用途分，可將夾具分為焊接夾具、機床夾具、裝配夾具、檢驗夾具等。
1.零件圖分析
被加工的零件如圖 1 所示， 零件的毛坯為 40Cr，金屬模鑄造，技術要求與尺寸精度都不高，生產批量為 2 000 件，其加工工序為：車外圓，保證 Φ50mm 外圓→車端面，保證 24mm 的長度→中心鉆孔、擴孔、鉸孔至尺寸要求→銑槽。 其中，銑槽的過程需要用到分度裝置，銑刀每加工一個槽，通過分度裝置使工件轉動一定角度到達加工位置，以便完成其它槽的加工。
圖 1 工件零件圖
2.夾具設計
保證工件加工質量是機床夾具設計的基本要求，也是夾具設計的首要任務。 為此，必須正確地設計與選擇定位方法、定位件及夾緊裝置。 在設計之前，要認真了解工件的作用、特點、材料、生產規模及技術要求， 詳細分析加工工藝過程及本工序的加工要求，如加工余量、加工精度、加工表面、定位基準以及前后工序的聯系等。 本文夾具的設計主要分成以下幾個方面：定位方案、夾緊方案、分度裝置、夾具體和連接元件的設計。
2.1 定位方案
工件定位是指在工件加工之前，將工件放在相對于機床、刀具一個比較準確的加工位置。 工件的定位，實質上是對空間自由度的限制，根據工件自由度被約束的情況，工件定位方式有完全定位、不完全定位、欠定位、過定位 4 種。本設計因加工的需要，在銑槽的過程中零件不能發生任何移動，6 個自由度都要進行約束，故選用完全定位。 定位方法為花鍵孔和主軸端面定位，圖 2 為定位主軸設計圖。
圖2 定位主軸圖
空間 6 個自由度的限制，雖然解決了工件在加工過程中“定與不定”等問題，但每個工件在加工過程中所占據的位置并不一致，這就涉及到“準與不準”的問題。 工件在夾具中所占據的位置不準確，加工的工件尺寸必然不一致，就會形成誤差，稱之為定位誤差，用ΔD 表示。 生產中為了保證加工精度，一般要求定位誤差不超過工件加工公差 T 的 1/5～1/3。 定位誤差包括基準位移誤差和基準不重合誤差，當無基準位移誤差時，ΔY=0；當定位基準與工序基準重合時，ΔB=0；若兩項誤差均沒有， 則 ΔD=0。 分析和計算定位誤差的目的，是為了驗證定位方案能否保證定位要求，以便對不同方案進行比較，從而選出最合理的方案。從零件設計要求可知， 工件和軸的配合尺寸為φ18H7/g6， 查閱國標軸、 孔的基本偏差表有：ΔB=0；ΔY=ES-ei=0.021-(-0.017)=0.038mm；ΔD=0.038mm。按照 GB/T 1804—2000 《未注公差的線性和角度尺寸公差》要求，指明工件加工公差等級為中等 m，則T =0.1 -(-0.1) =0.2mm。 而 ΔD =0.038mm ≤(1/5 ～1/3)T =0.04～0.067mm，定位方案合格。
2.2 夾緊方案的設計
在夾緊過程中，工件應能保持在既定位置，即在夾緊力作用下工件不應離開定位支承；夾緊力的大小要適當、可靠。 既要使工件在加工過程中不產生移動和振動，又不使工件產生不允許的變形和損傷，夾緊裝置的自動化程度和復雜程度應與工件的產量和批量相適應。夾緊裝置主要由動力裝置、中間遞力機構、夾緊元件組成。 常用的夾緊裝置有楔塊、螺旋、偏心輪等，楔塊夾緊可改變夾緊力方向，但使用效率低，多用于機動夾緊裝置中；螺旋夾緊結構簡單、自鎖性好、夾緊可靠、緊行程不受限制，遠比楔塊夾緊力大，其通用性大，但效率低，多用于手動夾緊裝置中；偏心夾緊機構產生的夾緊力較小，自鎖性能不好，一般用于切削力不大且無振動的場合，對夾緊尺寸要求嚴格。 可見各夾緊裝置都有各自的優缺點，應結合設計要求選擇合理的夾緊裝置。 綜合以上特點，本設計選用螺旋夾緊裝置。花鍵主軸上的螺桿、開口墊圈和夾緊螺母為主要的夾緊元件。 當旋緊夾緊螺母時，通過開口墊圈將工件夾緊在花鍵主軸上。 查閱資料，旋緊螺母時使用扳手的六角螺母：當螺紋直徑=10mm，螺距=1.5mm，手柄長度=120mm，作用力=45N 時，夾緊力=3550N。為了保證裝夾的穩固和加工時的剛性，需要在夾具后部設置支承機構，將安裝工件的螺桿頂住，如圖 3所示。 支撐機構中除頂尖外，還有尾架、端蓋、螺桿、鎖緊旋鈕、手輪、手柄等。 通過手輪、手柄使螺桿旋轉，推動頂尖向左移動， 從而將花鍵主軸上的螺桿部分頂住，再擰緊鎖緊旋鈕，防止頂尖松動。 尾架和端蓋在這個機構中起支撐作用。
2.3 分度裝置的設計
分度裝置是能夠實現角向或直線均分的裝置。 工件被夾緊，完成一個工位的加工后，夾具不松開，工件通過移動一段距離或者轉動一個角度，達到下個加工工位，從而完成整個工件的加工。 由零件的設計要求可知，槽的分度精度要求并不高，因此采用圓柱銷定位分度結構，該結構簡單、易制造。 操縱機構選用手拉式，如圖 4 所示。 通過轉動手柄，根據手柄轉動的圈數來確定加工的工件旋轉角度。 旋轉一定角度后，將定位銷通過手柄上的孔插入到分度盤上的槽中，實現分度的鎖緊。
分度的傳動機構是通過蝸輪蝸桿傳動來實現的，其特點是傳動平穩、嚙合沖擊小，能獲得較大的傳動比，且結構緊湊。 蝸桿是齒數 z1=1 的單頭蝸桿，蝸輪的齒數 z2=30，即蝸桿轉動一圈，蝸輪轉動 1/30 圈。 應工件加工要求，每加工一個槽工件轉動 30°，即蝸輪轉動1/12 圈。 由此可計算出蝸桿所需轉動的圈數為 2.5 圈，即轉動分度手柄時，每次轉動兩圈半即可。 蝸輪蝸桿傳動機構及分度盤如圖 5、圖 6 所示。
（1）定位鍵。 銑床夾具以定位鍵和機床工作臺 T型槽配合，每個夾具一般設置兩個定位鍵，起夾具在機床上的定向作用，并用埋頭螺釘把定位鍵固定在夾具體的鍵槽中。 材料選用 45 鋼。（2）帶 U 型槽的耳座。 在銑床夾具縱向兩端底邊上，設計帶 U 型槽的耳座，機床上有對應的螺孔，螺栓穿過 T 型槽與機床上的螺孔，將夾具體緊固在工作臺上。 材料選用 HT300。
2.5 夾具體的設計
夾具體一般是夾具上最大最復雜的基礎元件，其形狀和尺寸主要取決于組成該夾具的各種元件、機構和裝置。 同時，在進行夾具設計時，還應考慮到因夾緊力、切削力而產生的沖擊和振動，保證夾的強度和剛度需求。 另外，在銑槽的過程中，會有一些碎屑掉到夾具體里面， 時間長了會損害傳動機構或其它零件，為保證夾具正常工作，應考慮到排屑的方便性，且夾具應該便于裝卸。本夾具體采用鑄造結構， 鑄造的生產周期長，且因鑄造時的內應力緣故，易引起變形，從而影響夾具體精度的持久性。 為此，鑄造夾具體必須進行時效處理，而與焊接結構相比，鑄造可以鑄出形狀復雜的結構， 故本夾具體采用鑄造結構比較合適。 材料選用HT200，壁厚 4mm。3 結語本文分析了被加工工件的特點、作用、材料、生產規模及技術要求，并通過相關計算設計了一套專用的帶分度裝置的銑床夾具。實際上，在生產中，零件的狀是千差萬別的，沒有任何一種夾具能適用于所有的零件，合理、靈活的設計并使用夾具能夠降低生產成本，提高工作效率，降低廢品率。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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