优化夹具设计提高薄壁铝筒加工质量

李 宁

（河南许昌技术经济学校，河南 长葛 461500）

0 前言

薄壁零件由于壁薄、重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，已日益广泛地应用在各工业部门。但薄壁零件的加工却比较棘手，原因是薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中存在不易装夹、易振刀，尺寸不稳定等现象，很难保证零件的加工质量。如何提高薄壁零件的加工精度已成为业界越来越关心的话题。针对以上难题，本文通过优化夹具设计，探索出一套行之有效的加工方法，使以上问题得以顺利解决，并为类似零件的加工提供了参考。

1 案例零件图纸分析

1.1 案例零件介绍

图1为一款高压电器上所用高压电缆中间接头。由于该接头需要常年曝露在室外，生产中通常采用导电性好、耐氧化、质量轻、易安装的铝合金材质作为该接头的主材料。

图1 高压电缆中间接头

1.2 案例零件尺寸分析

该零件毛坯为φ90（内径φ80)×207mm的铝合金管材（牌号为6061），技术要求未注尺寸公差按GB/T1804-m，主要加工部位表面粗糙度为1.6μm（看不见加工痕迹），其余为3.2μm（微见加工痕迹）。加工完成后零件总长205mm，平均厚度约为6mm，属于典型的薄壁零件。一般认为，在壳体件、套筒件、环形件、盘形件、平板件、轴类件中，当零件壁厚与内径曲率半径或轮廓尺寸之比小于1:20时，称作薄壁零件。

1.3 案例零件加工难度分析

此零件毛坯材料为铝合金6061。这一类材料的特点为塑性、韧性好，硬度低，刚性差，热变形大。所以在加工过程因受装夹外力、受热以及振动等多种因素影响，加工过程中极易产生变形，设计时的表面粗糙度和精度要求也就很难达到。要想解决这些难题，首先要想办法克服这些导致零件加工时产生变形的因素。大量的实验数据表明，薄壁零件主要的加工难题来源于装夹过程中受力变形，所以，处理好薄壁零件的装夹至关重要。

2 案例零件加工工艺路线确立

根据零件毛坯情况和加工图纸要求，可以把该零件加工过程划分为四道工序：

（1）车端面，毛坯原长207mm，实际长度205mm，有2mm加工余量，端面粗糙度要求为1.6μm，因此时毛坯单边壁厚为5mm，具有一定的承载能力，所以可以直接用三爪卡盘夹持，车床车削完成，无需专门设计夹具。

（2）镗孔，毛坯内孔为φ80，加工后为，单边切除1.25mm。因铝筒较长，利用车床镗孔很难克服铝筒跳动问题，再加上铝筒内孔尺寸和表面粗糙度要求均较高，故这一步采用数控铣床来加工完成，此时铝筒单边壁厚减少为3.75mm，承载装夹变形的能力大大降低，所以这一步需要设计专门的夹具，来保证变形量的减少。

（3）车外圆，铝筒毛坯外圆直径为φ90，加工后，两端外圆尺寸达到×89，中间沟槽尺寸为φ86.5×6，沟槽两端台阶尺寸为2-φ86.5×10.5，此时铝筒单边壁厚减少为3mm，最薄处减少到2mm，传统装夹方式已无法承载，故需设计专用夹具来提高变形抗力。

（4）铣外表面中心孔，铝筒内外表面已加工达到图纸要求，壁厚为3mm，装夹耐受变形抗力很弱，故需要设计专门夹具。

3 夹具设计

3.1 镗削时夹具设计

镗削时，铝筒内孔必须没任何障碍，壁厚不断减少，外圆面承载径向力能力降低，故无法采用卡盘装夹，必须借助轴向方向受力来限制铝筒自由度。设计方案如图2，镗削夹具实物见图3。

图2 镗削时铝筒夹具示意图

图3 镗削夹具实物图

压盖顶面均布钻削4个圆孔，利用自制扳手，旋紧压盖。

3.2 外圆车削时夹具设计

车削铝筒外圆时，铝筒主要受来自径向的切削力，在装夹铝筒时首先考虑不能使铝筒沿半径方向再受力，可以把夹紧力转移到轴线方向上来，然后在孔内加装心轴来抵抗径向切削力。设计方案如图4。

图4 车削时的夹具示意图

夹具主体（心轴）最左端，设计为一直径为φ80、长度为40mm的台阶轴，材料采用密度较小硬度适中的铝合金材质，主要作用为夹持、支撑和定位。心轴左端轴肩直径为φ88，要低于加工后铝筒的外径φ89，同时还要大于铝筒的内径φ82.5，其主要作用是固定铝筒防止左向窜动；心轴直径为φ82.5，长度为200mm，主要作用是抵御车削时径向切削力；右端台阶压紧端盖的小端尺寸为φ82.5，确保径向滑动，确保壁厚均匀。大端尺寸为φ88，高于铝筒内孔尺寸低于铝筒外圆尺寸。右端台阶压紧端盖中间钻削一φ24的圆孔，配合压紧螺母限制铝筒在车削加工时轴向移动、转动和径向的滑动，最主要预防了加工时的变形，保证了加工时的尺寸精度和表面粗糙度。装夹方式采用传统的一夹一顶方式。

3.3 铣削中心孔时夹具设计

图5 铣削铝筒外表面中心孔时夹具示意图

铣削中心孔为该案例零件的最后一道工序，此时零件内外表面及两端面均已加工到设计要求，所以此时装夹更为慎重。设计方案如图5，其实物图见图6。

图6 铣削铝筒外表面中心孔夹具实物图

此时设计出的夹具，已把铝筒装夹受力转移到铝筒两边的堵头上，堵头心轴又为铣削中心孔时提供铣削抗力，抵抗内外圆度变形，限位挡板的作用主要限制装夹零件的位置，免除重复对刀操作，提高生产效率。

4 结论

薄壁零件难加工，这是机械加工行业公认的事实，但是只要我们认真思考、细心总结，还是有很多的办法来解决这一难题的。本案例通过优化夹具设计，经生产实践证明，该方案切实可行、实用方便，在加工时能保证薄壁铝筒的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度都满足图纸设计要求。该方案可为类似零件和产品的机械加工提供一定的借鉴。

[1]姜爱国.数控机床技能实训[M].北京：北京理工大学出版社，2009.1

[2]李国举.数控车床编程与操作基本功[M].北京：人民邮电出版社，2009.6

[3]张智敏.数控铣床操作与编程[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2010.5