基于机械挺杆复合磨削浮动薄膜夹具的设计*

武亚平 孟 瑾 李妙玲

(洛阳理工学院机械工程学院，河南 洛阳 471023)

挺杆是汽车发动机配气机构的重要组成部分。机械挺杆的实物如图1所示。挺杆的一端与凸轮接触，另一端与气门接触。它的作用是将凸轮的推力传给气门[1]，如图2所示。在挺杆的底端的内孔里装有调整垫片，可满足气门的间隙要求。而底端的内圆及端面的加工精度直接影响到调整垫片的使用寿命。现有的加工方法很难保证其尺寸公差和形位公差的要求。本文采用一种全新的浮动薄膜夹具，能解决以上存在的问题。

1 技术要求与工艺分析

1.1 技术要求

机械挺杆的零件图如图3所示。材料为20Cr，渗碳处理。磨削加工时硬度约为60 HRC，为热处理后进行精加工。底端装有调整垫片，与凸轮接触。口端与气门机构联接。本工序主要是磨削φ28 mm的内孔(上偏差为+0.041 mm，下偏差为+0.020 mm，7级精度)和粗糙度为0.8 μm的端面，为复合磨削。同时还要保证φ28 mm的尺寸公差和端面的跳动公差。该零件属于薄壁类零件，壁厚为1 mm。在机械加工过程中很容易发生弹性变形，且口端比底端变形量大[2]。磨削结束后，工件回弹，很难保证垂直度的要求。

1.2 工艺分析

在磨削加工之前，口端的外圆和内孔已加工完成。待加工部位是底端的内孔和端面。应选择口端的已加工部位作为定位基准。这样可保证在一次装夹的过程中，实现底端的内孔和端面的同工位加工，从而保证形位误差。

对于这种薄壁零件的磨削，国内外很多学者都做过相关研究：赵东宏等人[3]设计了多点式环形夹具，通过增加夹具和工件的接触点来减小工件的变形；邓吟等人[4]通过有限元仿真分析，根据变形趋势来选择最优的装夹方式；杜威等人[5]对夹具进行改进，在芯轴的凸块上安装螺纹顶丝，限制径向自由度；杜海清等人[6]通过油泥填充的方式来提高薄壁零件的系统刚性。针对以上问题，本文提出了一种浮动薄膜夹具。该夹具在底端采用硬点支撑、在口端采用浮动支撑。使夹紧点处的摩擦系数增大，从而降低了薄壁类零件的夹紧变形，提高挺杆的加工质量。可实现端面和内径表面的同时加工，提高生产效率。

2 浮动薄膜夹具的结构原理

浮动薄膜夹具又称膜片定心夹具，是利用薄膜卡盘受推力后产生均匀弹性变形，实现对工件的自动定心和夹紧，结构见图4。工件底端采用硬点支承，口端采用浮动支承。这样既可避免过定位，同时可减小弹性变形。这种夹具结构简单，具有较高的定心精度。装夹工件迅速，定位可靠。安装时，先用内六方螺钉9将顶块10和定位块8装在薄膜卡盘1上。定位块8的螺纹孔中装有螺杆3。定位块8和螺杆3采用螺纹联接，可调节螺杆3的轴向位置。螺杆3的右端面是球形，与工件口端的凸台为点接触，可实现对工件的轴向定位。而且，工件在轴向的位置可通过螺杆3来调整。工件的径向定位通过薄膜卡盘1上的紧固螺栓2和6来实现。紧固螺栓2采用的是浮动夹紧方式，紧固螺栓6采用的是硬点夹紧方式。

硬点夹紧，就是紧固螺栓6和工件5之间的定位为金属与金属的接触，这种定位方式摩擦系数较小。但在对工件5进行磨削时需要较大的夹紧力，这样会导致因夹紧力大而使工件5变形。而紧固螺栓2与工件5之间的定位改进为浮动夹紧，即在紧固螺栓2的接触点为非金属材质(如聚氨酯)，这样可以增大摩擦系数，减小工件5在磨削时的变形[7]。如果紧固螺栓2和6都采用硬点夹紧，这样会导致工件过定位，而且会变形，工件外圆的圆柱度就无法保证。而底端采用硬点支承，口端采用浮动支承，这样就有效地解决了过定位问题，既不会使工件变形，同时也保证了工件5与薄膜卡盘1的同轴度。

该夹具的工作过程如图6所示。在进行工件的装夹时，油缸的活塞杆有一个向右的水平推力，通过推杆11作用在顶块10上。薄膜卡盘1在这个推力下会发生弹性变形，右端张开，夹紧工件。推杆11左移，薄膜卡盘1回位，并推动工件5左移，保证工件5的内凸台与螺杆3的右端接触，完成轴向定位。磨削完成后，推杆11再向右运动，薄膜卡盘1的右端再次张开，将工件卸下。浮动薄膜夹具的使用，既保证了工件的正确装夹，又能在同一个工位完成对内孔和端面的复合磨削，满足设计要求。

3 夹具的关键零件设计

薄膜卡盘1是该夹具的最关键的零件，结构如图7所示。为了使薄膜卡盘有足够的弹性，装卸工件时能快速地收缩和胀开，在轴向开了4个(或6个，偶数个)均布的等分长槽。当薄膜卡盘受到活塞杆向右的水平推力时，套筒上的4片会胀开，从而实现对工件的装卸。如果等分槽切割不均匀，4个弹片的变形会有差异，导致和工件的接触不均匀。弹性部分频繁地胀开和收缩，为了防止断裂或产生永久变形，弹性套要有足够的韧性、耐磨性和抗疲劳性。所用材料为40Cr，淬火处理，硬度为43～48 HRC。

薄膜卡盘1是该夹具的关键零件，加工精度必须达到图纸要求。当薄膜卡盘全部加工完成后，再切槽。在进行挺杆的磨削时，要先装工件，再夹紧。当磨床不工作时，薄膜卡盘1应处于非工作状态，防止卡爪产生永久变形。

4 结语

本文所设计的浮动薄膜夹具，主要适用于机械挺杆等类似结构的薄壁零件。该夹具在挺杆底端采用硬点支撑、在口端采用浮动支撑。使夹紧点处的摩擦系数增大，从而降低了薄壁类零件的夹紧变形，提高挺杆的加工质量。可实现端面和内径表面的复合磨削。工件在装卸时快速方便，定心精度、重复定位精度高。且夹具成本低，使用寿命长，较好地解决了薄壁零件在加工时易变形、重复定位精度差的难题。最终能保证零件的尺寸公差和形位公差，满足了产品的使用性能。