气缸连接盘铣削用夹具的设计

■北京精雕精密机械制造有限公司 （102308） 高利飞

气缸连接盘是主轴内部主要受力件之一，在自动松拉刀的主轴松刀时，气缸用于松刀的力全部由气缸连接盘来承受，完成松刀的动作，所以此工件一般采用优质碳素结构钢或低合金结构钢，即45钢或42CrMo，经正火或调质处理后进行加工。虽然经过上述处理后，切削加工性能优良，但因主轴内部需要放置较多的传感器，避空位置较多，形状复杂，切削量大，导致现有的加工效率较低。

本文从各种自动换刀的主轴中选择一种典型的工件JD120气缸连接盘（见图1），重点介绍气缸连接盘的铣削用夹具的设计。材料为45号钢，正火处理，主要去除量来自对3个避空槽的加工。

图1 JD120气缸连接盘

图2 JD120气缸连接盘的加工尺寸

1.工件图样分析及加工工艺的确定

JD120气缸连接盘的加工尺寸如图2所示，加工难度不大，主要精度尺寸是φ50mm的尺寸与上、下面的垂直度，公差等级全部为IT7，数控车床可保证；但槽的加工主要靠铣削加工去除材料，虽然工件是规则形状，可用通用的三爪自定心卡盘或单动卡盘夹紧、在三轴机床或四轴机床加工，但是在大批量加工时，因上、下工件时所用时间与加工时切削的所用时间较长，故效率较为低下。

原采用三轴的精雕机与三爪自定心卡盘夹紧进行加工，加工两件所需时间达42min。为提高其效率，减少上、下工件的准备时间及加工时间，现采用可交换工作台的卧式加工中心，并设计专门的铣削用夹具。

2.夹具的结构形式及夹紧方式设计

φ110mm的底面是有精度要求的面，加工槽的位置位于上端，可以此面为基准定位，因使用可交换工作台，在方箱上同时装两个夹具，一共可夹紧8个工件，一个工作台在加工的同时，另一个工作台可装卸工件，使加工时间与装夹时间即加工准备时间重合，再者使用液压夹紧并控制力矩，保证每次装夹的夹紧力相同，采用此措施既可降低工人的劳动强度又能提高加工的一致性，夹具装上工件的三维造型图如图3所示，夹具的正面图如图4所示，夹具的详细结构如图5所示。

工件在夹紧时只需用力矩扳手拧紧最上面的锁紧螺钉，带动小活塞向下移动，封闭在管路中的液体推动活塞向右移动，同时带动8个压板向右移动，夹紧工件，当松开锁紧螺钉时，复位弹簧将推动活塞向左移动，即可松开工件。无油衬套可保证活塞的运动顺畅，并延长夹具的寿命，使用同轴密封圈可极大地降低活塞运行的摩擦阻力，保证液压系统的稳定性。底板上的液压管路图如图6所示，保证8个活塞可同时动作。

装夹工件时，将可更换工作台调入装工件区，工人可面向夹具装夹工件，松开锁紧螺钉，所有的压板在弹力作用下抬起，经车削完成的工件如图7所示，工件沿导向槽装入，半圆弧定位。装夹完毕后，等待加工的指令调入加工区，与主轴的位置关系如图8所示，加工完一面，工作台转动180°加工另一面。

图3 夹具三维造型

图4 夹具正面

图5 夹具详细结构1.无轴衬套 2.同轴密封圈 3.锁紧螺母4.压板 5.防尘密封圈 6.工件7.锁紧螺钉 8.夹具底板 9.小活塞10.密封圈 11.无油衬套 12.O形密封圈13.同轴密封圈 14.油缸体15.夹紧活塞 16.复位弹簧

图6 液压管路

图7 装夹工件过程

图8 加工区域示意

3.切削力分析及夹紧力的验算

（1）切削力的分析。铣刀的切削力实际与工件成一定的角度，为保证安全，在本例中取90°，即所有力全部转化成扭矩，本例中的铣刀采用两面刃铣刀，近似铣削力的计算：中F为铣削切削力；ap为铣削深度，指铣刀刀齿切入切出工件过程中，接触弧在垂直走刀方向平面中测得的投影长度，本例取ap＝22mm；fz为每齿进给量，fz＝0.06mm；D为刀具直径，D＝22mm；B为铣削宽度，B＝10mm；Z为铣刀齿数，Z＝2。将上述各参数代入铣削力的计算式得：F＝2 452×220.8×0.060.7×22－1.1×100.85×2＝1 918.47N。

（2）夹紧力的验算。实际所需夹紧力的计算是一个很复杂的问题，一般只能作粗略的估算，因此本例中取最不利工件夹紧方向做验算。

工件以底面为定位，其夹紧示意如图9所示，本例中每个工件有3个压板压紧，每个压板同时压两个工件，所以总的压紧力为3/2W，因此压板所需压紧力为：3/2W×μ×L2＝K×F×L1，即W＝2KFL1/（3μL2）。其中W为夹紧力；K为安全系数，取2.0；μ为摩擦系数，光滑面之间取0.1～0.2，本例取0.15，将上述参数代入夹紧力公式得：W＝2×2.0×1 918.47×0.037/（3×0.15×0.050）＝12 619.26N。

图9 夹紧示意

根据螺母扭紧力矩的计算公式：T＝KFd，取T＝4N·m，人手不费劲即可拧紧，图5中锁紧螺钉为M12，取小径d＝10.5mm，K取0.2。代入公式可得小活塞上的推力F1＝4/（0.2×0.010 5）＝1 904N。

根据液体内部压强处处相等的原理，可得夹紧活塞的推力为F2，即：F2＝F1·S2/S1。其中小活塞的直径D1＝10mm，夹紧活塞的直径D2＝40mm，代入式中可得：F2＝1 904×402/102＝30 464N。

复位弹簧的刚度为30N/mm，初始压缩3mm，一个夹紧活塞后面有3个弹簧，总计弹力F3＝30×3×3＝270N，则W′＝F2－F3＝30 464－270＝30 194N大于所需的夹紧力12 619.26N，故此压紧力完全可满足工件的压紧要求。

4.结语

该夹具利用了液压增力的原理，用手动较小的力可产生较大的压紧力，再者将加工准备时间与加工时间重合，提高了设备的利用率，将原来的单件加工时间42/2＝21min，减少为75/8＝9.375min，在此过程中工人还可做到一人双机或3机，经生产实践证明，该夹具的设计完全满足使用要求。