一种清洁型薄壁异型件夹具设计*

邢圆圆，贺辛亥，董红坤，程稼稷，张志毅

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048)



一种清洁型薄壁异型件夹具设计*

邢圆圆，贺辛亥，董红坤，程稼稷，张志毅

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048)

摘要：对薄壁异型件夹具进行了设计。充分考虑到薄壁零件刚度低，加工工艺差的特点，针对零件的特殊要求，提出了相应的定位和夹紧方案。通过Pro/ENGINEER软件环境下对零件和夹具进行了三维模型设计，使得该夹具的设计直观化。并通过对其定位误差和夹紧力的理论计算分析，证明该设计能够满足此薄壁零件的加工工艺要求。

关键词:薄壁异型件夹具设计定位误差夹紧力

众所周知，工装夹具是工艺装备的重要组成部分，是工艺过程中最活跃的因素之一，并直接影响产品的质量，生产效率及加工成本[1-2]。在机床夹具中，专用夹具的设计过程是一项周期长，投资较大并且其结构随着产品的更新而变化的过程，薄壁异型件由于其刚度低，易变形的特点[3]，设计一种薄壁异型件的专用夹具就显得尤为重要。针对异形件的独特性，专用夹具的针对性强，结构紧凑，操作方便迅速的优点使得在加工中专用夹具得到厂家的青睐。本文即是设计了一种保证薄壁异型件在加工过程中不受切削热和铁屑的影响，达到一种清洁型的目的夹具。

1加工工艺分析

薄壁零件如图1所示，材料为铝合金。铝合金薄壁件刚度低，加工工艺性差是本工序的加工难点。本工序要求去掉红色辅助定位凸台，加工时零件加工精度TA如图1(b)所示在±0.1 mm范围内且切屑不能进入零件内部。从零件形状及材料分析，采用端面铣削方法；从精度要求分析，其要求相对较低，加工步数可相对减少；从排屑的特殊要求分析，运用覆盖加工法进行加工[3]。

铣削加工时切削用量和切削力较小，而且是连续切削，因此产生的冲击和振动也较轻[4]，所以本次专用夹具设计主要考虑工件夹紧的可靠性。

(a)薄壁件三维实体图　　　　(b)薄壁件的侧视图图1　薄壁件三维实体图和薄壁件的侧视图

2夹具的结构

经过对加工零件的工艺分析和研究，本文设计出了一套专用夹具，该夹具的三维结构示意图如图2所示。

(a)夹具的剖视图　　　　　　　(b)夹具的剖视图11.压板；12.移动柱塞；13.弹簧；14.垫块；15.旋转定位销；16.辅助支撑钉；17.定位板；18.密封垫片；19.弧形V型块；20.导向块。图3　夹具的剖视图

薄壁零件在夹具里通过弧形V型块19，窄定位板16完成空间六个自由度的完全定位。考虑到薄壁件的空间形状以及加工难度故增加辅助支撑钉17用以辅助定位夹紧。用过偏心轮夹紧机构10和螺旋夹紧机构1对零件夹紧。由于对零件变形度要求较高，因此在夹具工作过程中从吹气孔8一直持续以固定流速向夹具体里吹冷气，减小因加工而产生的热变形。此外夹具结构还包括旋转台3、垫块14、导向块20等部分。

3夹具定位夹紧分析计算

3.1夹具定位精度分析计算

定位误差是由于工件在装夹过程中定位不准确引起的加工误差。引起定位误差的原因有两个：一是由于定位基准与工序基准不重合，叫基准不重合误差ΔB；另一个是由于定位基准在夹具中定位不一致，叫定位基准位移误差ΔY。定位误差ΔD是二者的综合，可表示为[2](以下精度分析都是在考虑误差最大和最差的情况下进行的)：

ΔD=ΔY±ΔB[5]

(1)

弧形V型块产生的移动误差计算如下

=0.31

(2)

式中：R——薄壁零件直筒部分外部半径的基本尺寸(mm)；

R1、R2——薄壁零件直筒部分外圆最大、最小极限偏差(mm)；

d1、d2——弧形槽弧形上、下极位点尺寸(mm)。

基准不重合误差计算如下：

ΔBV=2×51.5×sin0.025=0.044

(3)

定位板产生的移动误差为：

ΔYP=0

(4)

定位基准与工序基准不重合误差为：

ΔBP=2×51×sin0.025=0.044

(5)

将两个定位元件产生的定位基准投影到工序尺寸方向，其代数和即为定位误差[6]，可得：

ΔD=(ΔYV×cos18.5×sin9.3-ΔBV)+ΔBP

=0.047

(6)

综合公式(1)-(6)有：

(7)

分析可见精度能够达到要求。

3.2夹具主要部分的夹紧力分析计算

精确计算夹紧力比较困难，但为确保夹具设计的合理、可靠仍然要对所需的夹紧力尽可能的估算[7]。经过查手册得到切削力Fs为10.7N。其加工为端面铣，因此工件受力偶矩，静力平衡时为一空间力偶系。

采用BILZ提供的算法，计算得切削扭矩为：

(8)

式中：d为加工面最大直径，a为切削宽度(mm)。

由空间力偶系平衡方程[8]得出：

(9)

∑My(F)=F1×6+F2cos69.7×50.2-→

←Mcos57.5=0

(10)

式中：F1为槽型V型块夹紧部分夹紧力(N)；F2为辅助定位部分夹紧力(N)；D为零件直筒部分外直径半径(mm)；l为压板11尺寸(mm)；μ为摩擦系数，这里取0.25。

综合公式(8)(9)(10)就得：

F1=2.7N

(11)

F2=0.7N

(12)

计算出理论夹紧力F，再乘以安全系数K，作为实际所需夹紧力F0。即：

F0=KF[9]

(13)

式中：F0——实际所需的夹紧力N；

F——按力的平衡条件计算出的夹紧力N；

K——安全系数。根据生产经验，一般取 1.5～3，因薄壁件刚度差，这里取1.5。则实际夹紧力：

F10=4.05N

(14)

F20=1.05N

(15)

3.3偏心杠杆夹紧装置夹紧力的分析计算

螺旋夹紧机构在垂直方向上的分力为[10]：

F′=F20sin29.5cos69.7=0.26N

(16)

则偏心杠杆夹紧装置夹紧力：

FP=K(F10+ F′)/2=6.5N

(17)

这里K取3。

4总结

1)通过该套夹具的设计解决了同本文介绍的这一类薄壁异型件在机床上难以加工的工艺难题，也为其他的薄壁异型件的加工提供了实际生产经验。

2)该夹具采用偏心杠杆夹紧机构，保证了工件的定位精度及夹紧强度，同时也大大缩短了加工薄壁异型件零件的装夹时间。

3)该夹具采用覆盖加工法，避免了加工后的铝屑对于薄壁异型件表面的刮伤。

4)该夹具工作过程中从吹气孔一直持续以固定流速向夹具体里吹冷气，减小薄壁件因加工而产生的热变形。

参考文献

[1]黄剑波.数控机床夹具的发展[J].电子机械工程,2011,27(5):33-36.

[2]吴拓.现代机床夹具设计[M].北京:化学工业出版社,2009.

[3]李建勋.微细加工技术的发展与应用[J].现代机械,2007.

[4]徐灏.机械设计手册:2版[M].北京:机械工业出版社,2000.

[5]郭安斌.变速箱体两侧面钻孔组合机床夹具设计[J].科技致富向导,2012(33)344-346.

[6]刘代瑞. ZF差壳专机夹具设计[J].汽齿科技,2008(1)29-35.

[7]朱耀祥,蒲林祥，等.现代夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社,2010.

[8]张建中.机械制造工艺学:第2版[M].北京：国防工业出版社，2009.

[9]李庆余,孟广耀,等.机械制造装备设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[10]符炜.机构方案设计的创造性构思法[J].现代机械,1995(02)6-10.

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)03-0015-03

基金项目：陕西省科学技术研究发展计划项目(2013K07-20)；中国纺织工业联合会科技指导项目(2015116)。

作者简介：邢圆圆(1990-)，男，汉族，湖北随州市人，在读硕士研究生，主要从事三维编织机的研发。

通讯作者：贺辛亥(1971-)，男，西安工程大学教授，博士，主要从事复合材料成型技术的研究。

收稿日期：2015-11-18

Design of a fixture for thin-walled special-shaped parts

XING Yuanyuan, HE Xinhai, DONG Hongkun, CHENG Jiaji, ZHANG Zhiyi

Abstract:We designed a fixture for thin-walled special-shaped parts. Considering the low rigidity and poor processing technology of thin-walled parts, we put forward corresponding positioning and clamping schemes. Through 3D modeling of the part and the fixture by Pro/ENGINEER, we visualized the design scheme. By calculating the position error and clamp force, we proved that the design could meet the processing requirements of the thin-walled parts.

Keywords:thin-walled special-shaped part; fixture design; position error; clamp force