环形薄壁件加工中的胀紧减振夹具设计

赵运航 潘宝山 罗 敏

(1、中航工业黎明产品检验检测中心，辽宁 沈阳 110043 2、中航工业黎明导喷厂，辽宁 沈阳 110043)

1 引言

随着飞机性能要求的进一步提高，其结构具有轻量化、薄壁化和整体化的特点。因为薄壁零件具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点，薄壁零件已日益广泛地应用在现代航空工业中。环形薄壁件在军民品生产中都占有极大的比例。

所谓薄壁零件就是圆直径与壁厚之比D/б=50～150，壁厚 б 介于 0.25～2mm 之间的零件，这种零件是典型的弱刚性零件，相对刚度较低，强度较弱，加工工艺性差，特别是在对零件形状，尺寸精度要求较高的情况下，它们对振动、切削力及切削温度等均十分敏感，加工起来易变形和产生振动，不易控制加工精度和提高加工效率。特别是越接近最终加工尺寸时加工起来越困难。对此类航空薄壁零件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。

2 被加工零件工艺简介

某薄壁结构件中介外部机匣（结构图见图1）直径近400mm，局部壁厚只有1.14mm，且其壁厚要求均匀，壁厚差要求控制在0.05mm以内，而且它的内壁具有16.28°的倾角，使得加工更加困难。在加工过程中，为了减少零件的变形，保证加工质量和精度，虽然在工艺上采用了诸多办法，例如控制材料质量，合理采用工艺方法，预留合理的加工余量，合理选择加工参数等，但如果能在加工过程中采用一些辅助工装，减少或消除加工中的振动，则相当于减少了加工变形系数，从而提高加工质量和精度，经过反复地研究论证，最后我们设计了一种用于环形薄壁件加工的减振胀紧装置，用以解决薄壁件加工变形问题，提高产品合格率和生产效率。

图1 被加工零件图

3 胀紧减振夹具的设计

环形薄壁件在加工过程中产生振动和变形的根本原因是切削过程中切削力在各种因素的干扰下产生的，为使夹具在零件加工中起到减振和防止变形的作用，必须满足以下几个条件：

(1)夹具表面必须紧贴于被加工零件表面；(2)要有适当及足够的胀紧力；(3)夹具选材要有一定的减振功能；(4)夹具便于调整和装卸。

为此在设计时我们采用了双锥体自定心胀紧结构，利用聚氨脂橡胶做胀紧材料，聚氨脂橡胶耐磨损，减振缓冲等性能良好，工作状态下，聚氨脂橡胶胀环能与被加工零件表面紧密贴合，接触面均匀，能有效地消除薄壁件加工过程中的振动及变形，同时避免损伤零件基准面，使零件达到预期的加工效果。夹具具体结构见图2，其中胀环N01采用聚氨脂橡胶做材料，其它部件均采用45#钢。

图2 环形薄壁件用胀胎减振夹具装配图

3.1 工作原理

工作时，先将夹具放入工件内，使其位于工件要求胀紧的位置，然后，拧紧螺母N010，通过夹紧力使其上斜环NO3和下斜环NO2同时向中间移动，在上、下斜环斜面的作用下，胀环NO1得以变形胀紧，紧贴于工件的内表面，当胀紧力达到理想状态时，再将限位杆N06调到位，拧紧螺母N011起固定作用，然后便可加工零件。零件加工完成后，松开螺母N010，上、下斜环在弹簧N09的作用下，向相背方向移动，胀环NO1恢复自然状态，零件可以顺利取出。

减振胀紧夹具是辅助夹具，因此夹具要考虑与主夹具的定位问题，本夹具通过N02下斜环的底面和外圆实现与主夹具相配定位，如果需要角向定位则可以增加角向销定角向。

3.2 聚氨脂橡胶胀环的设计原则

如图3所示，在设计胀环时，我们采用聚氨脂橡胶作胀紧材料，因为聚氨脂橡胶具有耐磨耗、高强度、高弹性、耐高压、减振性强、高承载和减振缓冲等良好性能，加工上既可机械加工成型，又可压铸成形，由于胀环在夹具中主要起减振防变形的作用，所以尺寸要求不需很严格，型面只要能保证设计要求，能在胀紧状态下与工件贴合即可。

胀环设计有外斜面与工件相配合，设计有锥体面与上下斜环相贴合。为达到良好的减振作用，它的厚度值应尽量取得大一些，但如果厚度值过大会产生胀紧量不均的现象，通过反复试验总结出其厚度值一般为半径R的10%左右较为合理，在与工件贴合表面直径值一般取与工件尺寸单边有0.2～0.5mm间隙值即可，这样在装卸工件时方便可靠，胀紧时又能达到要求。

图3 聚氨脂橡胶胀环

3.3 上下斜环的设计原则

上斜环No3，下斜环No2一方面起主体支架的作用，另一方面起着产生胀紧力的作用，上，下斜环设计有锥体面，其角度设计既要考虑胀紧值的大小，又要考虑具有足够的行程，并保证与胀环角度相符，角度一般在10～18度之间。其结构在设计时尽量简单合理，重量不宜过重。由于上斜环与心轴的相对运动比较频繁，磨损量较大，因此在上斜环处设计有衬套，以便于维修和拆换。在两斜环中间装有弹簧，作用是松开螺母时，上，下斜环在弹簧力的作用下自动脱开，恢复到自然状态。

4 推广与发展

本研究成果已应用于航空用环形薄壁件的加工中，夹具利用两斜面在压紧时胀紧聚氨脂橡胶胀环，保证适当并有足够的胀紧力，通过螺母和螺纹限位杆调节，便于调整和装卸。结构简单，制造使用都很方便，解决了零件加工变形和振动难题，环形薄壁零件的加工质量和零件加工精度都有大幅度的提高，零件加工合格率提高到90%以上，降低了单件加工成本。

目前许多国家的航空企业在加工环形薄壁件时均采用一些内胀，外卡辅助工装进行减振防变形。在国内的军民品生产中，环形薄壁件较多，产品加工后变形较大，往往影响加工和装配质量。应用这种胀紧减振夹具将极大地提高环形薄壁件的加工质量和精度。

随着科学技术的飞速发展，薄壁零件将日益广泛地应用在现代航空工业中，因此，这种环形薄壁件用胀紧减振夹具将具有更加广阔的应用前景。

[1]徐鸿本主编.机床夹具设计手册.辽宁科学技术出版社 2004.3

[2]刘守勇主编.机械制造工艺与机床夹具.机械工业出版社.1994

[3]黄奇葵等.机械制造基础.华中理工大学出版社.1993