用浮动球面夹紧方式加工薄壁件

安徽神剑科技股份有限公司（合肥 230022）赖正望

薄壁零件在机械加工中一直是个难题，不管机床、刀具的精度多高，若工艺及装夹不佳都会造成产品变形超差。产品的变形主要由以下两个方面原因造成：①产品的壁薄，刚性较差，装夹时易受夹紧力影响产生变形，产品加工后释放夹紧力，引起产品回弹变形超差。②材料存在内应力，去除材料后内应力释放引起产品的变形。

1.典型件问题描述

我厂生产的薄壁件形状如图1所示，材料为2A12，内孔及外圆尺寸要求较高。

图1

产品材料本身存在内应力，通过先粗加工、半精加工后再精加工的方式可逐步去除材料本身的内应力影响，使得产品变形可控。产品在毛坯状态由于壁厚，可以采用通用的装夹方式（如用三爪夹外圆或胀内孔装夹方式装夹）进行粗加工、半精加工，但是产品在精加工时由于产品壁较薄，若装夹不当容易受装夹力影响引起产品变形，如采用三爪夹外圆或胀内孔装夹方式装夹都会引起产品变形超差。对于此类薄壁件的装夹，通常采用的方式是压端面装夹。然而实际生产过程中，由于种种原因（产品在加工两端面时由于调头装夹、定位误差、切削过程中的工件、刀具让刀等情况影响使得产品的两个端面加工后不平行）加工后产品的两端面不平行，造成产品装夹面局部受力，使得产品局部变形较大，产品完成切削加工后在夹紧力未撤消时尺寸符合要求，夹紧力撤消后造成产品的局部回弹变形过大而超差。

2.解决方案

采用浮动球面夹紧方式装夹产品可使产品的两端面均匀受力，消除产品切削加工后局部变形问题，并可有效、适度控制产品的夹紧力大小。浮动球面夹紧装置如图2所示，该装置由本体、定位环、压环、开口垫、螺钉组成，本体的外圆柱可定心，台阶面为产品的定位面。由于产品和本体间有较小的配合间隙，使得本体台阶定位面可以和产品的一个面进行有效贴合，均匀受力；产品的另一个面采用球头曲面夹紧工件，球面可以转动，能自动找正产品的受力方向，使得产品的受力始终垂直产品的端面，受力均匀，不会造成产品的局部受力过大变形现象。根据刀具的最大切削力，推算出装夹产品的端面所需的最大静摩擦力，进而推算出螺纹的最小预紧力，可适度控制产品夹紧力，螺纹拧紧力矩采用力矩扳手法进行精确限定，避免产品受力过大变形。此浮动球面夹紧方式用于产品精车外形，产品的尺寸能够得到有效控制。当然，采用同样的装夹原理设计夹具也可以进行产品的精镗内孔加工。

图2

3.确定力矩扳手的最大值

刀具的最大切削深度为ap=1mm，最大进给量f=0.2mm/r，主轴转速为1000r/min，刀具为硬质合金外圆车刀（γo=20°，刀尖半径为R=0.4mm，60°菱形刀片），根据公式可计算最大切削力为142.7N，工件端面的正压力为839.34N。

为了增强螺纹锁紧防松能力以及防止受切削力载荷螺母的滑动，螺纹联接要预紧。对于螺纹联接，其拧紧力矩T用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被联接件(或垫圈)支承面间的端面摩擦力矩T2。施加拧紧力矩时，可用力矩扳手法控制预紧力，计算拧紧力矩的计算公式为

式中，d为螺纹公称直径（mm）；F′为预紧力，（N）；d2为螺纹中径（mm）；φ为螺纹升角；ρv为螺纹当量摩擦角；μ为螺母与被联接件支承面间的摩擦因数；K为拧紧力矩系数；Dw为扭矩搬手螺帽内切圆直径；d0是螺钉大径。

K可查表得：K=0.12，F′=N=839.34N，螺纹公称直径为30mm。

T=KF′d=0.12×839.34×30=3021.624N·mm=3.0N·m

4.结语

实际生产时，选定切削刀具型号、固化产品加工参数后，通过计数得出最小力矩值，可通过力矩扳手法控制拧紧力矩的数值，使产品在最小的变形状态下，实现稳定加工，可有效控制产品的尺寸精度。