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葉片泵轉(zhuǎn)子葉片槽的分度銑床夾具設(shè)計(jì)

2017-7-7 來源：北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院作者：劉玉德，侯亞茹，吳剛，張浩，王碩

摘要：設(shè)計(jì)用于臥式銑床加工的葉片泵轉(zhuǎn)子葉片槽的分度銑床夾具，銑刀每次加工一個(gè)槽，通過分度裝置使工件轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度到達(dá)加工位置，依次完成其它槽的加工。

關(guān)鍵字：葉片泵；分度；銑床；夾具

0.引言

夾具最早出現(xiàn)在 18 世紀(jì)后期，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，夾具已從一種輔助工具發(fā)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(chǎn)品精度，使工藝更加便捷

，使用相當(dāng)廣泛。按用途分，可將夾具分為焊接夾具、機(jī)床夾具、裝配夾具、檢驗(yàn)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(shù)要求與尺寸精度都不高，生產(chǎn)批量為 2 000 件，其加工工序?yàn)椋很囃鈭A，保證 Φ50mm 外圓→車端面，保證 24mm 的長(zhǎng)度→中心鉆孔、擴(kuò)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(gè)槽，通過分度裝置使工件轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度到達(dá)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(shè)計(jì)

保證工件加工質(zhì)量是機(jī)床夾具設(shè)計(jì)的基本要求，也是夾具設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。為此，必須正確地設(shè)計(jì)與選擇定位方法、定位件及夾緊裝置。在設(shè)計(jì)之前，要認(rèn)真了解工件的作用、特點(diǎn)、材料、生產(chǎn)規(guī)模及技術(shù)要求，詳細(xì)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(zhǔn)以及前后工序的聯(lián)系等。本文夾具的設(shè)計(jì)主要分成以下幾個(gè)方面：定位方案、夾緊方案、分度裝置、夾具體和連接元件的設(shè)計(jì)。

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(duì)于機(jī)床、刀具一個(gè)比較準(zhǔn)確的加工位置。工件的定位，實(shí)質(zhì)上是對(duì)空間自由度的限制，根據(jù)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(shè)計(jì)因加工的需要，在銑槽的過程中零件不能發(fā)生任何移動(dòng)，6 個(gè)自由度都要進(jìn)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(shè)計(jì)圖。

圖2 定位主軸圖

空間 6 個(gè)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(gè)工件在加工過程中所占據(jù)的位置并不一致，這就涉及到“準(zhǔn)與不準(zhǔn)”的問題。工件在夾具中所占據(jù)的位置不準(zhǔn)確，加工的工件尺寸必然不一致，就會(huì)形成誤差，稱之為定位誤差，用ΔD 表示。生產(chǎn)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(zhǔn)位移誤差和基準(zhǔn)不重合誤差，當(dāng)無基準(zhǔn)位移誤差時(shí)，ΔY=0；當(dāng)定位基準(zhǔn)與工序基準(zhǔn)重合時(shí)，ΔB=0；若兩項(xiàng)誤差均沒有，則 ΔD=0。分析和計(jì)算定位誤差的目的，是為了驗(yàn)證定位方案能否保證定位要求，以便對(duì)不同方案進(jìn)行比較，從而選出最合理的方案。從零件設(shè)計(jì)要求可知，工件和軸的配合尺寸為φ18H7/g6，查閱國標(biāo)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(jí)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(shè)計(jì)

在夾緊過程中，工件應(yīng)能保持在既定位置，即在夾緊力作用下工件不應(yīng)離開定位支承；夾緊力的大小要適當(dāng)、可靠。既要使工件在加工過程中不產(chǎn)生移動(dòng)和振動(dòng)，又不使工件產(chǎn)生不允許的變形和損傷，夾緊裝置的自動(dòng)化程度和復(fù)雜程度應(yīng)與工件的產(chǎn)量和批量相適應(yīng)。夾緊裝置主要由動(dòng)力裝置、中間遞力機(jī)構(gòu)、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(jī)動(dòng)夾緊裝置中；螺旋夾緊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自鎖性好、夾緊可靠、緊行程不受限制，遠(yuǎn)比楔塊夾緊力大，其通用性大，但效率低，多用于手動(dòng)夾緊裝置中；偏心夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)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(dòng)的場(chǎng)合，對(duì)夾緊尺寸要求嚴(yán)格。可見各夾緊裝置都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)要求選擇合理的夾緊裝置。綜合以上特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(dāng)旋緊夾緊螺母時(shí)，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(shí)使用扳手的六角螺母：當(dāng)螺紋直徑=10mm，螺距=1.5mm，手柄長(zhǎng)度=120mm，作用力=45N 時(shí)，夾緊力=3550N。為了保證裝夾的穩(wěn)固和加工時(shí)的剛性，需要在夾具后部設(shè)置支承機(jī)構(gòu)，將安裝工件的螺桿頂住，如圖 3所示。支撐機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)，推動(dòng)頂尖向左移動(dòng)，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(dòng)。尾架和端蓋在這個(gè)機(jī)構(gòu)中起支撐作用。

2.3 分度裝置的設(shè)計(jì)

分度裝置是能夠?qū)崿F(xiàn)角向或直線均分的裝置。工件被夾緊，完成一個(gè)工位的加工后，夾具不松開，工件通過移動(dòng)一段距離或者轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，達(dá)到下個(gè)加工工位，從而完成整個(gè)工件的加工。由零件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造。操縱機(jī)構(gòu)選用手拉式，如圖 4 所示。通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，根據(jù)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來確定加工的工件旋轉(zhuǎn)角度。旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)分度的鎖緊。

分度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，其特點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)、嚙合沖擊小，能獲得較大的傳動(dòng)比，且結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿是齒數(shù) z1=1 的單頭蝸桿，蝸輪的齒數(shù) z2=30，即蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng) 1/30 圈。應(yīng)工件加工要求，每加工一個(gè)槽工件轉(zhuǎn)動(dòng) 30°，即蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)1/12 圈。由此可計(jì)算出蝸桿所需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為 2.5 圈，即轉(zhuǎn)動(dòng)分度手柄時(shí)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈半即可。蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)床工作臺(tái) T型槽配合，每個(gè)夾具一般設(shè)置兩個(gè)定位鍵，起夾具在機(jī)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(shè)計(jì)帶 U 型槽的耳座，機(jī)床上有對(duì)應(yīng)的螺孔，螺栓穿過 T 型槽與機(jī)床上的螺孔，將夾具體緊固在工作臺(tái)上。材料選用 HT300。

2.5 夾具體的設(shè)計(jì)

夾具體一般是夾具上最大最復(fù)雜的基礎(chǔ)元件，其形狀和尺寸主要取決于組成該夾具的各種元件、機(jī)構(gòu)和裝置。同時(shí)，在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮到因夾緊力、切削力而產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，保證夾的強(qiáng)度和剛度需求。另外，在銑槽的過程中，會(huì)有一些碎屑掉到夾具體里面，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)損害傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或其它零件，為保證夾具正常工作，應(yīng)考慮到排屑的方便性，且夾具應(yīng)該便于裝卸。本夾具體采用鑄造結(jié)構(gòu)，鑄造的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且因鑄造時(shí)的內(nèi)應(yīng)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(jìn)行時(shí)效處理，而與焊接結(jié)構(gòu)相比，鑄造可以鑄出形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，故本夾具體采用鑄造結(jié)構(gòu)比較合適。材料選用HT200，壁厚 4mm。3 結(jié)語本文分析了被加工工件的特點(diǎn)、作用、材料、生產(chǎn)規(guī)模及技術(shù)要求，并通過相關(guān)計(jì)算設(shè)計(jì)了一套專用的帶分度裝置的銑床夾具。實(shí)際上，在生產(chǎn)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(shè)計(jì)并使用夾具能夠降低生產(chǎn)成本，提高工作效率，降低廢品率。

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