薄壁圓筒類零件夾具設計的改進

摘要：本文通過實例講述了薄壁圓筒類零件加工時使用的三種夾具：開口襯套、導向套和液塑夾具的使用特點。在使用開口襯套時，由于工件裝夾難度相對較大，毛坯材料浪費較大等方面的缺點。運用實際零件從力學角度和工件裝夾等方面，分析引入導向套夾具的可行性；但遇到精度要求高、定位難度大的工件加工時，導向套夾具很難滿足其加工精度，本文利用實例進一步改進夾具的設計，并詳細介紹機床液塑夾具的制作、使用及有關注意事項。

關鍵詞：薄壁圓筒　開口襯套　導向套　液塑夾具

薄壁圓筒類零件在機械產品中應用相當廣泛，但在生產加工中，無論是加工內孔還是外圓，如果將工件直接裝夾在卡盤上，裝夾力偏小容易使工件打滑；裝夾力過大，工件易產生彈性變形而出現(xiàn)三棱圓現(xiàn)象。如圖1—（b）所示。其原因是工件在夾緊時，其內壁受卡盤爪對它的夾緊力F的作用，因工件壁較薄故發(fā)生如圖1—（a）所示的變形；車外圓時，凸出部分材料被切削較多，當工件加工完成后，卸去夾緊力，工件將變成如圖1—（b）所示的三棱圓形狀。

車內孔的變形分析與之相似。

（a）　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 （b）

圖1薄壁圓筒的變形

傳統(tǒng)的解決方法一般是采用開口襯套夾具來改善裝夾薄壁圓筒類工件的受力情況。車外圓時，如圖2—（a）所示，用彈性較好的材料做一個與內孔相配合的開口襯套；車內圓時，如圖2—（b）所示，裝夾一個與外圓相配的開口襯套，這樣通過開口襯套把卡爪的夾緊力比較均勻地分壓在工件的圓周上，可以提高工件的剛度。從而消除了因夾緊而產生的局部變形。

（a）　 　 　 　 　 　 　 ?。╞）

圖2車薄壁圓筒類工件的開口襯套夾具

1—內開口襯套   2—卡爪     3—加工件     4—外開口襯套

這種方法適用于大批量生產，當工件直徑發(fā)生變化時，要重新加工一個開口襯套，既浪費材料，又不利于提高生產效率。為此，結合圖3的零件，改進薄壁圓筒類零件加工的夾具設計，介紹適用薄壁圓筒類零件使用的導向套夾具。

一、導向套夾具

（一）零件分析

如圖3所示，因工件直徑相對較大，壁厚又較薄，在車床上用卡盤夾緊，加工難度大。裝夾力小，工件容易打滑；裝夾力大，由于工件產生彈性變形，加工過程中容易產生彈刀和共振，很難保證工件的尺寸精度和加工表面質量。如果采用在車床上用花盤夾緊的方式加工，工件毛坯上還需預留裝夾部位；加工后切斷裝夾部位導致材料利用率降低，增加成本。

圖3零件示意圖

（二）、導向套夾具的設計

針對上述弊端，起初設計導向套加工夾具。如圖4所示，導向套夾具是由夾座、拉桿、內、外壓板和螺母、螺釘組成；工件在裝夾前，按傳統(tǒng)方法加工出工件大端端面及其上4×M10—7H螺孔至圖樣要求。加工工件外圓時，按圖4—（a）裝夾，工件用螺釘固定在夾座上的定位臺面上，定位臺面內外均有退刀空間，然后用拉桿、內壓板、螺母將工件在夾座和內壓板之間夾緊。車床四爪單動卡盤夾住夾座，按夾座大平面（即工件大端面）和工件外圓找正、夾緊。然后加工工件的所有外圓面。

（a）　 　 　 　 　 　 　 　 　（b）

圖4 加工薄壁圓筒件的導向套夾具的示意圖

1-工件    2-夾座   3-拉桿   4-內壓板   5-螺母   6-外壓板    7-螺釘

待加工完后，再按圖4—（b）裝夾，夾座、工件、螺釘均不動，卸下內壓板、換上外壓板，同樣用拉桿、螺母將工件夾緊，就可以加工工件的內圓面。加工完成后，再卸下外壓板、拉桿、螺母，最后加工工件小端面。

（三）、導向套夾具的理論依據

按圖4—（a）方式裝夾加工工件，各部分的受力分析如圖（5）所示。當擰緊螺母夾緊后，拉桿分別受夾座和壓板給它的作用力F3和F4作用，發(fā)生拉伸變形；而夾座和壓板也將受到拉桿給它們的反作用力F3´和F4´的作用。另外壓板還受到工件給它的力F1的作用，F(xiàn)1與F4´構成平衡力系而處于平衡狀態(tài)。同樣夾座除受到拉桿給它的反作用力F3´與工件給它的力F2作用而處于平衡狀態(tài)。工件受到壓板及夾座給它的反作用力F1´和F2´的作用而產生壓縮變形。

由此可見：工件由原來的徑向受力轉變?yōu)檩S向受力。

按圖4—（b）所示的裝夾方式的受力分析與圖5類似。在此不再詳述。

圖5 導向套夾具的受力分析圖

（四）、導向套夾具的特點

由上述分析可知：

1、采用導向套夾具，工件由采用卡盤裝夾時承受徑向裝夾力轉變?yōu)槌惺茌S向裝夾力，工件受力狀況大為改善，減小裝夾時的工件變形。

2、由直接裝夾工件改為裝夾夾座，降低了工件裝夾的難度。

3、由于工件與夾具成為一體，工件的剛度大為增加，減小了工件加工時變形和彈刀共振的可能性。

4、工件一次裝夾加工，提高了工件的加工精度，滿足了產品的技術要求。

使用該夾具取消了以前毛坯所需的裝夾部位,材料利用率提高了5%以上，材料成本顯著降低。但對于精度要求高、定位難度大工件卻很難滿足，為此，介紹設計制作液塑夾具在薄壁圓筒類零件加工中的應用。

二、液塑夾具

液塑夾具是一種高精度定位夾具,（可使工件外圓同軸度達到0.005~0.010mm）它主要是在薄壁套筒內灌裝液性塑料（液性塑料在100ºc以下為塑性半固體，流動性好，可壓縮性極?。?。當液性塑料受到擠壓時，它會將所受壓力均勻地傳遞到薄壁套筒上，薄壁套筒受力變形膨脹或收縮，消除了套筒與工件定位面的間隙，可達到高精度的無間隙重復定位。主要用于精加工工序。液塑夾具適用于車床、磨床和滾齒,也適用于一些特殊要求的場合。

（一）、液塑夾具的設計

如圖3所示的加工零件圖，工件的內、外圓已在車床加工完畢，現(xiàn)在以內孔Φ200H7定位加工3×Φ6+0.012o 銷孔，銷孔相對內孔位置度為0.02mm。銷孔間的相對位置可由加工中心保證，銷孔相對內孔的位置必須由夾具保證。因為內孔尺寸Φ200H7比較大，若工件孔與定位銷間隙小，則不易裝卸工件，間隙過大則不能保證0.02mm的位置度要求。

既要保證在裝卸工件時，定位銷與工件內孔有足夠的間隙，裝卸方便，又要通過薄壁套筒的脹緊，消除裝卸時的定位間隙。因此，考慮使用液塑夾具。

液塑夾具一般由圖6中所示的六部分組成。該夾具的設計關鍵是與工件內孔相配合的定位圓銷，定位圓銷（套筒）的直徑D設計為Φ200f7，夾具體與薄壁套筒組成密封腔用于盛放液性塑料，排氣螺釘用于灌裝液性塑料時將密封腔內的氣體排出，由于液性塑料流動性強，受到擠壓時容易沿縫隙擠出，造成塑料泄漏。所以壓縮塑料時必須有一柱塞，柱塞與內腔配磨，這樣塑料不易泄漏。

圖6液塑夾具的示意圖

1、 圓銷  2、薄壁套筒  3、排氣螺釘  4、柱塞  5、內六角螺釘  6、液性塑料

夾具體與薄壁套筒之間必須過盈配合，一般過盈量為0.15mm，若為方便裝配，過盈量小時，夾具體與薄壁套筒之間可用銅焊密封。薄壁套筒的結構如圖7所示。

圖7薄壁套筒結構圖

薄壁套筒與滑柱的主要參數設計和計算如下：

1、套筒壁厚t

設計工件長度確定套筒薄壁部分長度L為300 mm，由L和套筒直徑D代入公式：t = 0.025D = 0.025 × 200 = 5 mm。

2、套筒固定部分LC及tc

由套筒直徑D = 200 mm查表可得到：

LC = 36 mm        tc = 26 mm

3、夾具體與套筒配合過盈量δ：

由工件基準直徑D查表可得到：δ = 0.15 mm

4、在套筒最大允許變形條件下，夾緊工件的最小過盈量δmin：

δmin = △D max － △max

= 0.002 × 200 － (200.046－199.921)

    = 0.4－0.125

 = 0.275 mm

其中:△D max ——套筒直徑方向最大允許變形量，取（0.002~0.003D）。

△    max ——工件與套筒的最大間隙（末夾緊前）。

5、δmin的夾緊力矩M的計算

M = 1.414×106×t×(D t)0.5×δmin(D、 t、δmin的單位為cm)

= 1.414×106×0.5 ×(20×0.5)0.5×0.0275×9.8(N·cm)

≈ 6149   (N·m)

6、切削力矩的計算

M阻 = 60×N／（2πn）

= 60×7500／（2×3.14）×πd1／1000vc

= 60×7500／（2×3.14）×(3.14×6／1000×5)

= 814(N·m)＜M

其中: d1 = 6 mm；vc = 5 m／min；N=7500（W）

7、液性塑料的工作壓力p(要求：p≤45MPa)

  P = 1.31×106×△D max×t／(D×L)---- △D max、t、L的單位為cm

    = 1.31×106×0.04×0.5／（20×30）×(9.8／100)    (MP)

    ≈ 43.65MP≤45MPa

8、柱塞直徑d

因D／2﹤L﹤D，故d = 1.8D0.5

=1.8×(200)0.5

= 25.452  (mm)

9、需要作用在柱塞上的推力P

P = π／4×d2×p

= 3.14／4×25.4522×43.65

≈23  (KN)

（二）、液性塑料的配制

1、液性塑料的配方表

不同的配方制成的液性塑料流動性不一樣，可獲得不同的用途。下面的配方適用于壓力傳遞較近的夾具,應用最為廣泛。

液性塑料的配方表

2、液性塑料的調制

（1）先將上述配方中的聚氯乙烯樹脂和硬脂酸鈣，磷苯二甲酸二丁酯和真空油分別盛放于瓷質或鋁質容器中混合攪拌均勻，再將兩者混合攪拌均勻，靜置待用。

（2）將上述容器置入盛砂的鍋中，將砂鍋放在電爐上緩慢均勻地加熱，并不斷用玻璃棒進行攪拌，防止容器壁局部過熱，烘壞塑料。

（3）用溫度計插入塑料中測量，使加熱溫度保持在150‐160ºc左右。

（4）隨著加熱時間的不同，混合液體顏色逐漸發(fā)生變化，開始由白色變?yōu)闇\灰色；最初在加熱溫度未達到150ºc時，液體逐漸變稠，然后粘稠的半凝固液體逐漸變稀，顏色變成褐色，最后變成深褐色時停止加熱和攪拌。

（5）液塑需要在150‐160ºc時保溫20min(可在保溫爐中進行)。

（三）、液性塑料的澆注

1、預熱

在塑料保溫時，將需要灌塑的夾具體及澆注工具（包括：漏斗、接管及玻璃棒，預熱前應先將它們擦拭干凈）進行預熱，溫度也在150‐160ºc左右，預熱的目的是防止塑料失去流動性，預熱時將加壓螺釘及放氣螺釘拆下。

2、澆注

將調制好的塑料除去表面浮渣，立即從澆灌口（加壓柱塞口）進行澆灌，待塑料溢出排氣孔時，擰緊排氣螺釘，直至塑料注滿整個夾具內腔，并從澆灌口溢出時為止，剩余留作補縮用。

3、補縮

液塑在冷卻過程中的收縮量約為10%左右，因此必須邊冷卻邊補縮，直至不能補縮為止，如果發(fā)現(xiàn)脹緊量不夠，可以從加壓柱塞孔中加入一些切成小塊的上述剩余塑料。

（四）、注意事項

1、夾具設計時必須要有排氣螺釘及滑柱，而且滑柱易設計成可方便取出的結構，因為塑料泄漏后要從加壓口補塑料。

2、套筒與夾具之間要有足夠大的過盈量，或直接用銅焊密封，以防止塑料泄漏。

3、液塑配方可根據不同用途，改變成分比例，獲得不同的流動性。

4、加熱時，要不停用玻璃棒攪拌均勻，防止局部過熱。

（五）液塑夾具的特點

由此，不難看出這種夾具具有結構簡單、緊湊，制造容易，調整較方便等優(yōu)點，經實際使用后，效果非常理想，既保證了加工質量，又提高了生產效率。但是，在使用中也存在一些問題。比如：在塑料的調制過程中,要揮發(fā)一些有味氣體,所以一定要在通風的環(huán)境中進行調制；一般情況下，夾具中的液塑3年左右需要更換一次；更換時要將夾具加熱，液塑方可流出；薄壁套筒的最終尺寸，需在澆注完成后磨出。

三、結束語

薄壁圓筒類零件加工所涉及的夾具多種多樣，使用時要根據零件的加工要求和夾具的經濟性能來選擇合理的夾具。本篇只對薄壁圓筒類零件的加工提供了一定的經驗。

在寫作過程中得到了華南理工大學宋小春教授的大力支持，對此深表謝意！

參考文獻：

《機床夾具設計手冊》上海科技出版社

《機械工程手冊》機械工業(yè)出版社

《機械加工工藝辭典》學苑出版社