弧面类工件加工辅助治具的设计与制作

韩玮杰 韩树标 孙宇

（大同煤矿集团有限责任公司煤峪口矿，山西大同，037041）

1 引言

目前，煤峪口矿机分厂钳工车间使用的各型号通用机床均为全手动操作的普通机床，在实际生产作业时机床钻头、刀头的定位与对准只能依靠肉眼观察配合通用夹具完成，当被加工工件存在圆弧面、圆锥面或者类球面（图1、图2、图3）等曲面时，由于肉眼观察存在误差或工件未被夹紧而导致最终加工的成品误差较大甚至报废，使得钢材原材料损耗，加工用的刀具折损也较为严重，同时由于大量的工件需要其他车间联合加工，一道工序出现问题会导致其他车间的工时浪费。

图1 圆弧面工件示例图

图2 圆锥面工件示例图

图3 类球面工件示例图

本文针对机分厂钳工车间的实际情况，并应用专业机械设计知识[1-2]，设计了一套辅助治具，用于在机床加工工序之前对带有曲面的工件进行划线打样，提供一个机床加工工序时的校对标准，提升加工精度和加工效率。

2 辅助治具制作

2.1 设计原理

使用摇臂钻床、铣床等通用机加工设备加工带有曲面的工件时，若观察定位工件带来的误差过大或者在加工过程中被加工工件发生了位移或者旋转，会导致加工工件最终尺寸超出误差允许极限。若能为待加工的工件添加一些明显可见的标记，则当被加工工件在加工过程中发生较大位移时，工件位移量可以被观察到，从而进行修正，控制加工误差，防止报废件的产生。添加的标记可在加工之前用于定位被夹紧工件，校核工件是否对齐或水平，还可以被用作尺寸边界的标识。当工件的加工工艺中存在加工孔时，标记的形式可由线标记变更为凹点标记，这种标记形式有利于使用钻床加工时钻头定位，当钻头定位误差过大时，凹点标记与钻头中心的相对位置关系可以被用于手动修正误差。

为了给存在曲面的工件添加定位标记，首先需要将工件固定。存在加工曲面的工件发生位移的本质是自由度较大。自由度决定构件的运动参数，自由度越大构件的运动形式就越复杂。为了尽可能减少待加工工件的自由度，限制添加标记时工件的运动量，本设计借鉴机床夹具设计理念，通过方槽、斜口槽与孔实现对带有加工圆弧面、加工圆锥面与加工球面的工件的固定，减少待划线工件的自由度，辅助给待加工的工件高效、高精度地添加定位标记。

其中，斜口槽用于固定带有圆锥面的待划线工件；方槽用于固定带有圆柱面的待划线工件；孔用于固定带有球面的待划线工件。示意图如下。

图4 斜口槽固定板示意图

图5 方槽固定板示意图

图6 孔固定板示意图

2.2 尺寸设计

首先需要确定示意图中斜口槽的长宽和斜边相对于轴线的斜度，方槽的长宽，以及孔的内部半径。要实现对带有曲面的待划线工件的固定，开槽的尺寸应当契合工件的尺寸。根据加工量较大的工件的几何数值参考实际使用的经验，斜口槽小端的尺寸选择为8 mm、14 mm、20 mm、30 mm、40 mm；斜口槽的斜边相对于中轴线的斜度选定为1:6 和1:10。方槽的内部宽度与斜口槽小端的尺寸相同。两种开槽内端与外端的垂直距离选定为60 mm。孔的内部半径数值除了与斜口槽小端的尺寸相同的值以外，额外增加一个60 mm 的大孔用于配合较大的工件使用。

接下来需要确定工具的基板厚度。如图7 所示，根据数值关系可得h=R（1-cos α）。对于斜口槽来说，由于h 的数值正比于其所在位置与斜口槽小端的距离，为了保证待划线或打样的工件固定在斜口槽内不被工作台干涉，要求成品板材的厚度要大于图中的h 的最大值；对于方槽要保证待划线或打样的工件固定在方槽内不被工作台干涉，成品板材的厚度要大于图中h；对于孔来说，要保证待画样或打样的工件固定在孔内不被工作台干涉，成品板材的厚度也应大于图中h。本车间加工工件的R 值大部分在20 mm～50 mm，少部分为特大件；根据实践经验，半顶角α 取值在20°～40°时可获得精度和易用性均衡。经过不等式运算可得h取值为1.2 mm～12 mm，上下限数值差距为一个数量级，故对上下限数值取均方根，约为4 mm。考虑到本工具需要在一定程度上适应特大件的加工，同时应避免使用过厚的钢板板材导致质量过大不方便移动，参考机械设计手册，板材厚度最终选定为5 mm。

图7 尺寸计算示意图（剖面视图）

本设计中，同一板上的槽或孔之间不存在相互关系，也不需考虑配合与公差，因此孔和槽的相对位置没有精度要求，只需保证工具本身的强度和可加工性。成品的长宽可灵活选择。由于设计并非高速运动或高精度部件，加工成本低，故不做ANSYS有限元模拟。

确定尺寸后的零件图如下。

图8 斜口槽固定板零件图

图9 孔固定板零件图

2.3制作工艺

该治具主要用于在机加工工序之前辅助固定带有曲面的工件，方便划线打样的进行，设计内包含的孔和斜面起主要的固定作用。工作工况为低强度的冲击载荷，尺寸精度要求较低，考虑到成本因素，毛坯材料选择为5 mm 热轧钢板。本设计需要加工的表面有槽固定板的内表面和孔固定板的内表面。

毛坯件的制作工艺分为两步，第一，从整块的型材上切下需要的小块料件。第二，粗切斜口槽和方槽。切割流程使用乙炔焊进行。此步骤产生的5 mm 厚钢板如果存在可见的弯曲变形则该毛坯件需要做压力修复或做报废处理。

由于治具并非用于工件的精确定位，故基准面选定为切割后的毛坯件上下两个大面中较为平整的那个表面。

槽内表面的垂直侧面首先加工，加工方式为槽铣刀配合块规加工。接下来加工剩下的垂直面，加工方式为槽铣刀加工。孔的加工使用麻花钻头进行[2]。当具有线切割生产条件时，两块开槽板也可使用线切割方式加工以提升精度。

3 应用效果

自该治具投入使用以来，工件加工的成品率有了提高，工作效率也有所提升。根据对近四个月的加工任务（统计数据见表1），参考之前的生产加工任务量以及其他机加工行业的相关数据，预估平均每个月可节约材料损耗、工时损耗约5 千元。再考虑到因不合格件、报废件造成的进度拖延和其他各类影响，预估本成果的年节约成本约为10万元。

表1 近4个月的相关生产数据统计

4 结束语

本套治具提升了车间的加工质量，减少了加工成本，具有一定的实用价值。同时可将本套治具应用到其他机加工单位，具有一定的借鉴价值。

该套治具在设计时确定的尺寸为适用于本单位的尺寸，其他单位使用时可参考自己单位的实际情况增删或者修改孔和槽的尺寸。基板的材料可以更换为硬度、韧性更好的钢材以辅助大型工件的加工，延长治具的使用寿命。