加工Φ150偏心球腔专用夹具的设计

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摘 要：高精度偏心零件在数控车床上加工是个难点，特别是批量生产时，除对工人的操作技术要求特别高之外，如果不采用夹具及其他辅助装置，也很难保证加工质量，鉴于此，现在就以下面的零件为例，采用偏心分度回转夹具加工偏心零件，从而达到提高加工精高和加工效率，大大降低对操作人员技能等级的要求，该夹具能够满足加工的定位夹紧要求，结构简单紧凑，具有良好的加工工艺性和经济性。

关键词：夹具；车削；偏心

一、引言

对于一般的偏心零件，如偏心轴或有一两个偏心孔的零件采用四爪单动或三爪自定心卡盘垫块的方法，一般可以达到加工精度要求。但对于车削零件上有（见图1）四个精度要求较高的偏心球腔，无论是单件小批生产，还是批量生产，若采用一般的找中心方法很难满足加工精度要求，且还增加了加工的难度。因此，以提高图1加工精度及加工的效率为出发点，设计出了加工该零件的专用数控车床夹具，该夹具具有偏心分度回转功能。每加工一个偏心球腔时，保证偏心球腔的中心与主轴轴心线重合度达到最高理想状态，并加平衡块调整以保证工件和主轴回转的稳定性。对于该偏心分度回转装置夹具的具体设计及方法见下文所述。

二、零件分析

该零件是由两个零件1和零件2组成的配合件，即零件图3。该零件1和2在圆周上均布四个SΦ40的球腔，各球相对与基准孔的位置公差要小于或等于0.1mm，表面粗糙度值Ra=1.6μm，零件1上以工件中心为基准86mm为直径上有两个M10的螺纹孔，在零件2上相对有两个直径为11mm的孔，同时在每个球腔中心有一个M12的螺纹。工件材料均为45刚。粗精车Φ150mm外圆和Φ20内孔、倒角2X45、长度30mm。

如果采用普通车床上加工很困难，需要用四爪卡盘或花盘装夹而且很难校正，更重要的是四个球腔圆度及表面质量很难能保证，如果再设计专用夹具加工球腔，以保证球腔达到图纸要求，这样成本就很高，精度也很难保证，经分析设计专用夹具在数控车床上编程粗精加工，不仅能保证精度，效率也很高，刀具价格低，同时也能达到表面粗糙度等的要求，也适合我校现有教学设备的情况。

三、夹具结构分析

夹具设计原理是使待加工的球面的轴心与主轴同轴，为此设计专用夹具，该夹具分两大部分：（1）偏心分度盘。（2）夹具体。

1.偏心分度盘

偏心分度盘的设计原理是通过分度盘使待加工的球面的轴线与主轴轴线重合，故需把基准定位销的轴线准确平行偏移一个距离，即偏心距。如图4所示。

分度盘结构：分度盘的直径是340 mm，厚度是30 mm，在分度盘中心向上平移一个偏心距（即工件中心到球心的距离），加工好一个M18的螺纹孔，是用来装圆柱心轴的，以该分度盘为中心，向上偏移147mm有个螺纹孔，该螺纹孔是用于装螺纹定位销，定位销的作用是准确定位夹具的位置。以分度盘为中心，150 mm为半径均布有3个Φ14的通孔，用于把分度盘装夹在车床花盘上。把分度盘装在花盘上，再用百分表校正外圆和端面，使其跳动在0.02 mm内。

分度盘固定在花盘上是相对不动的，但因定位销与夹具体有相对转动，所以必须对该分度盘采取热处理，以增加定位销的耐磨性，或者在定位销上加衬套，衬套与定位销相对固定不动，只要更换衬套就能直接使用。

2.夹具体

如图5所示，该夹具是盘状体，夹具的大径为230 mm，总厚度为50 mm，中心有一个直径为20 mm的基准孔，该孔与分度盘上的定位销轴连接，以该孔为基准，以直径为150 mm，壁厚为18 mm的圆环套，该圆环套上均布有4个M10的螺栓，用于固定工件；以中心为基准104 mm为半径上均布有4个直径为Φ10 mm的通孔，这四个孔与分度盘上的定位销相对。

把工件装入夹具体的圆环套中采用Φ150+0.02间隙定位配合，该配合中零件可自由装拆，用四个螺栓紧固，而加工该零件时，工件和夹具体相对静止不动，以利于刀具在加工偏心球面时，更好地保证该球面的尺寸精度

当完成第一个球面加工后，拆松下工件中心上的紧固螺栓，拔出开口垫片，以夹具体上的基准孔为中心，将夹具体旋转90°，使夹具体上的孔与定位销准确定位，然后再装上开口垫片并紧固螺母，准确定位加工第二个均布球面，从而保证球面的径向等距和圆周均布的位置精度要求。如图6所示。

由于每加工完一个球腔后，都要拆松螺母，旋转夹具体，然后夹紧，因此夹具体的中心孔与分度盘的销轴之间有相对摩擦，必须对其进行热处理，增强耐磨性，否则损坏严重。

四、装配及平衡

装配步骤：

1.把分度盘装在花盘上，用百分表校正，使其跳动在0.02 mm范围内，再用三副M14的螺栓夹紧固定。

2.把夹具体装在分度盘上，用定位销定位。

3.把工件装在夹具体的圆环套上，用螺栓把其夹紧，再锁紧销轴上的螺母，从而夹紧整个夹具体。

4.编程粗精加工第一个半圆球面至图纸要求后抛光表面。

5.拆下夹具体上M16的螺母，以销轴为旋转点，将夹具旋转90°，使定位销与夹具体上的孔准确配合，再用螺母夹紧，车削第二个半圆球面，第三、第四个半圆球面依此类推。

装配后的图（含工件）如图7所示。

平衡：

平衡对于非对称旋转夹具是非常重要的，它影响设备的寿命和操作者的安全，也影响工件的质量和加工效率，所以必须对此装置进行平衡装夹，以保证加工平稳性。在确定配重块的重量时，可用隔离法近似地估算，这种方法就是把工件及夹具沙锅内的各个元件隔离成几个部分，相互平衡的各部分可以省略不计，对不平衡的部分按力矩平衡原理确定平衡块的重量。平衡后如图8所示。

五、定位误差分析

为保证圆周均布4个半圆球腔相对与基准孔的等距性和均布性位置要求，必须使定位误差精度要求。

1.等距定位误差分析

零件图样上允许的分度圆尺寸为（Φ86-0.1）mm，即要求各半球腔与基准孔的等距定位误差为0.1 mm。用圆柱定位销定位，这样各个零件基准孔的孔径变化会影响零件的等距性，考虑工件装拆、转动需要不能使用无间隙配合，故需要进行定位误差的计算。

定位圆柱采用Φ20g6圆柱销与基准孔形成Φ20H7/g6小间隙定位配合，其定位误差：

定=+0.021-（-0.02）=0.041 mm

所以采用Φ20H7/g6配合满足等距性要求。

2.均布性定位误差分析

零件图样允许的个球腔和相对基准空的位置度公差要求是Φ0.1 mm，要求各球腔间的实际轴线位置与假想理论轴线位置不能相差0.1 mm，影响均布性的误差有几个：（1）工件与夹具体的配合误差定1；（2）夹具体基准孔与圆柱销轴的误差定2；（3）夹具体与螺纹定位销之间的误差定3。三者定位误差和不能大于0.1 mm。当工件外径最小时，夹具体孔最大时，两者的配合间隙最大，即

定1=+0.02-（-0.03）=0.05 mm

同样当夹具体的定位孔最大而定位销的最小时，配合间隙最大，即

定3=+0.015-（-0.014）=0.029 mm

则定=定1+定2+定3=0.05+0.041+0.029=0.12 mm< 0.15 mm

所以该夹具完全满足要求。

六、零件的加工工艺分析

该类偏心零件采用CKA6150数控车床加工。工艺分析：工件装夹在夹具体使用球刀粗加工内球腔钻孔攻螺纹。

使用标准圆弧车刀编程精加工（编程中需要用G41指令做圆弧半径补偿，否则加工出来的圆不是正圆）。

对于该类偏心零件的加工采用以上夹具能很好地提高加工精高和加工效率，大大降低对操作人员技能等级的要求，同时该夹具满足加工的定位夹紧要求，结构简单紧凑，具有良好的加工工艺性和经济性。针对类似零件的结构和加工特点，采用普通加工精度的通用数控车床加工，无论是单件生产还是批量生产，设计此类夹具能最大限度地提高机械加工的工艺性和经济性。

参考文献：

[1]李庆寿.机床夹具设计[M].机械工业出版社，1984.

[2]杨峻峰.机床与夹具[M].清华出版社，2005.