顶针定位在水龙头零件加工夹具设计中的应用

夏春发

水龙头在现代家庭生活中属于兼具装饰性与实用性的物品，外观品质是决定产品档次的重要因素之一。水龙头大部分外观零件都要经过抛光、电镀等表面处理，铸造零件毛坯直接抛光不容易达到高档次水龙头的品质要求，一般采用车削或铣削加工外形后再抛光，这样可以得到很好的外观效果。可见，车削或铣削加工外形的夹具设计对提升加工效率、保证品质十分重要。

在机械加工中，夹具是用来固定加工对象，使之占有确定位置以接受加工或检测的工艺装备。夹具设计中的定位就是工件通过夹具相对机床、刀具占有正确的加工位置，其目的是使同一批工件在夹具中占有一致的正确加工位置，保证其加工位置的准确性。一个在空间处于自由状态的物体具有6个自由度，即：沿3个互相垂直坐标轴移动自由度，以及绕这3个坐标轴转动自由度（如图1），工件定位的基本原理是在空间对这6个自由度加以必要的约束。本文以水龙头零件（如图2、图3）机加工夹具为例，讨论顶针定位夹具设计的方法与技巧，达到夹具结构简单、定位精度高、操作便利等特性，从而提升机加工效率。

顶针定位在车削加工夹具设计中的应用

图2零件特征是个回转体，依据加工工艺先加工上下两个平面及孔，再采用数控车床车削加工回转体外形。原来方案是采用零件下平面与孔作定位设计夹具，夹具固定在数控车床主轴端，数控车床尾座安装顶针顶住上平面中心孔，主轴旋转带动零件旋转实现车削加工，如图4所示。通常这样做法也是合理的，但实际情况是经常出现车削面与上平面中心孔偏心问题。分析其原因是因为零件上下平面与孔是分工序加工，加工后的下平面及孔的垂直中心线与上平面孔的中心有偏差。如图5所示，加工时零件会以下平面及孔的实际垂直中心旋转，在顶针刚性不足的情况下，上平面中心孔与顶针会围绕下平面及孔的实际垂直中心线旋转晃动，出现车削加工轮廓外形与上平面及中心孔不同心的现象，这种不同心的外观特征是不能接受的，但实际生产经常出现。为防止此问题出现，之前做法是前后工序同步加工验证，调整至同心度符合要求再批量生产。生产过程中任何一道工序有变动都要重复验证调整，否则有批量报废的风险。

上述问题产生的主要原因是由于加工上下两个平面及孔的夹具定位不足造成加工后中心不统一。要保证加工后两个平面及孔的中心一致工艺难度也很大，是否可以通过其他方式来解决此问题？对上述夹具分析认为夹具设计存在过定位问题，夹具以下平面及孔定位已经确定了零件的回转中心，如果此中心与上平面及孔的实际中心位置不一致就存在以上问题。为了解决车削回转体外形与零件上下平面及孔同心问题，必须以零件上下平面及孔的中心连线作为车削旋转轴心。为此设计如图6的双顶针结构定位夹具，夹具1的顶针与销钉结构起定位与带动旋转作用，通过夹具2把零件较复杂的下平面结构转换成中心孔与销钉卡位结构便于顶针定位与销钉带动旋转，两端顶针定位确定了零件的5个自由度，在限制第六个自由度的销钉带动下旋转车削。车削加工时零件以两个顶针点连线为轴心旋转，回转体外圆与中心孔偏心的问题就不存在了，按此思路设计制作工装验证上述分析是否正确，测试结果完全符合预期。该设计大大降低对前道工序加工精度要求，提升了生产效率。

顶针定位在铣削加工夹具设计中的应用

图3零件的外形是五边形设计，有多条轮廓线，如果像以往采用铸造毛坯直接抛光的工艺方案，则对抛光师傅的技能要求很高，在当前劳动力紧缺的情况下培养大量高技能抛光工难度很大，大批量生产也很难保证抛光外观品质一致性的要求。近几年为了解决行业普遍存在的抛光工紧缺困境及复杂高品质产品外观抛光难题，一种用来替代人工粗抛工序的多轴雕铣机（行业俗称扒皮机）被研制出来。这种扒皮机是在数控铣床基础上发展而来的多主轴（一般都在6个或6个以上主轴）高效率雕铣机，一次性可以铣削加工多个产品。铸造毛坯经过铣削加工成比较精细粗糙度的表面，再采用砂带、布轮抛光至镜面效果，不仅可以大幅度提升产品的抛光效率，降低了对抛光工的技能要求，同时也提升了产品的外观品质，近几年在卫浴行业得到大量推广使用。因为扒皮机是多主轴、多工位同时加工，所以对夹具一致性精度要求很高。

扒皮设备工艺方案一般分两种，其一是立式扒皮机，一般先铣削铸造毛坯外形，再加工其他配合功能的平面、孔及螺纹。此方案的扒皮机夹具是按毛坯表面轮廓铣削型腔，把毛坯放在铣削好的型腔内定位，先铣削毛坯一半表面，然后再按已铣削好的表面轮廓铣削另外一半定位型腔，铣削另一半毛坯表面（如图7所示），这一方案适合大批量生产。其二是卧式扒皮机，夹具在设备中间，主轴分布在夹具两侧同时加工，这类设备加工不适合采用外表面特征定位。一般是先加工毛坯的其他配合功能的平面、孔及螺纹，再使用已加工好的平面、孔及螺纹定位铣削毛坯外表面，图8所示的是一种卧式六轴三工位扒皮机夹具，下面来讨论这一类夹具定位设计。

这类夹具设计方案是采用支撑零件下平面及孔与出水孔平面及孔来定位，再用气缸压紧（如图8所示）。零件加工品质要求壁厚偏差小于0.3mm，因此要求3个夹具位置一致性偏差也要小于0.3mm。此类结构夹具由多个零件组装而成，直接检测其位置度比较困难。目前做法是把夹具先安装在机床上试加工3个零件，根据加工后零件壁厚差异来判定夹具定位是否准确一致，再校正夹具以达到加工后3个零件壁厚偏差都要小于0.3mm的品质要求，往往要经过多次试加工与调整才能符合要求。这种做法效率低、难度大。另外气缸杆压在毛坯面上也存在零件前后位置偏差问题，此方法定位很不稳定，加工后零件壁厚不均匀的问题时常发生，零件尺寸越大越明显。

为此必须重新思考设计夹具定位方式，以达到精确定位的目的，降低夹具制作与调整难度。顶针精确定位的特点可以再次应用，具体方案是：（1）校正3个压紧气缸的中心分别与下面3个夹具安装定位孔在同一轴线上，气缸杆前端安装顶针。（2）气缸杆设计加强护套，加强杆刚性以达到气缸伸出压紧工件不会偏移，确保定位精度。（3）设计防旋转定位夹具，固定零件出水孔。具体如图9所示。

此零件通过下平面的定位夹具、阀芯孔的顶针与出水孔防旋转夹具三处限位，完全精确限制了零件所有自由度。顶针起到精确定位与压紧双重作用。此方案关键是一次性把上方的压紧气缸与下面的夹具定位孔校正到同一轴线，生产不同零件只要更换零件定位块即可，改善后的夹具结构简单，定位精度高，有效解决了之前夹具反复校验调整工作，生产品质更加稳定可靠。

以上讨论的零件结构是上下定位孔在同一轴线上，大部分产品不具备这样的结构特征，如图10、图11所示的零件。

在以上夹具结构总体结构不变的前提下实现此类零件定位，发挥这类夹具通用性是推广应用的关键。如图10所示的水嘴是弧形结构，可以在零件上设计如图12所示的工艺凸台，在此凸台上加工与底平面中心同轴的顶针孔，即可实现我们需要的同轴结构定位，此工艺凸台在铣削外形后再加工去掉。图11是一种典型结构水龙头本体零件，零件下平面与零件的中心线不垂直，我们可以通过设计楔形结构的下定位块调整零件角度位置来实现与上方顶针同轴定位，如图13所示。总之零件结构是千变万化的，如何灵活应用是考验工程师的设计智慧。

通过以上两个案例分析可见，在机加工夹具设计中，采用顶针定位是一种定位精度高且结构简单的有效定位方式，零件结构是千变万化，根据工装定位设计原理灵活应用可有效降低夹具设计难度，提升加工品质与加工效率。