一种车床快速定位实用夹具的设计与制造

刘小娟， 黄信兵， 陈贤照

（1.中山职业技术学院数控技术教研室，广东中山528404；2.广东交通职业技术学院机电一体化教研室，广州510650）

一种车床快速定位实用夹具的设计与制造

刘小娟1， 黄信兵2， 陈贤照1

（1.中山职业技术学院数控技术教研室，广东中山528404；2.广东交通职业技术学院机电一体化教研室，广州510650）

分析了现有的传统夹具在装夹具有较高形位公差要求的轴类零件进行加工时存在的弊端和不足，并提出了相应的解决方案。开发了一种“两顶一面”快速定位夹具，并介绍了其结构组成、工作原理、特点及加工制造方法。

夹具；弹簧；设计；结构；加工

0 引言

由于数控车床具有效率高、柔性好、加工质量稳定可靠等特点，使其得到了日益广泛的应用。机械加工中很多轴类零件主要采用数控车床加工，根据数控车床的装夹特点，当批量加工时，一般是以工件的左端面用限位块来作轴向定位基准。而加工有一定形位公差要求的工件时，为了保正工件的形位公差，加工时一般都利用轴的两端中心孔作为定位基准，再配上鸡心夹具及拨爪来传递旋转的动力。但由于加工的中心孔会出现大小（深浅）不一致的情况，加工时，工件的轴向尺寸较难保证。每次装夹后工件轴向定位基准都会发生变化，每个工件都必须重设Z轴坐标，从而降低了生产效率，增加了操作者劳动强度，并且由于对刀误差及机床精度等因素，很容易造成零件报废，体现不出数控车床的优越性。为了解决这些问题，笔者通过生产实践，研究及查阅相关技术资料，设计制造了一种“两顶一面”快速定位夹具，主要依靠弹性顶尖对加工工件起到定心作用，依靠工件端面和夹具定位块接触来实现工件轴向定位。

1 夹具的结构分析

快速定位夹具的结构如图1所示。

图1 快速定位夹具的结构

1.1 夹具的组成

该夹具主要由夹具主体、螺母、碟形弹簧、定位垫圈、定位块、尾座活动顶针、前顶尖组成。其主要零件材料均为40Gr钢，并进行调质处理，因而具有较好的刚性、抗拉强度、抗疲劳强度及较好的稳定性。

1.2 夹具的工作原理

利用碟形弹簧的弹性可使前顶尖轴向伸缩，可以通过增加或减少弹簧片数量来改变顶针的伸出量，可以用于不同的中心孔零件加工；前顶尖与工件中心孔始终配合，保证以轴线为定位基准，能较好地保证轴类零件外圆表面的位置精度，解决了由于工件中心孔大小不等引起的轴向定位误差问题；利用45°锥面定位块和工件左端面挤压产生的摩擦力带动工件旋转，同时起到轴向定位的作用。

1.3 夹具的使用方法

在图1中，将夹具主体1锥孔部分与车床主轴颈配合，弹性前顶尖8起到定心作用。工件未装夹时，前顶尖由于碟形弹簧3的作用而伸出定位块5的外面。装夹工件时，将工件6中心孔对准弹性前顶尖8，工件6另一端用尾座活动顶针7顶住，将弹性前顶尖8压缩至工件6的左端面与夹具定位块5接触，依靠定位块5和工件6的挤压摩擦力作用带动工件一起旋转。拆卸工件时，将尾座活动顶针7退出，在碟形弹簧3弹簧力的作用下，弹性前顶尖8将工件6顶出而自行卸下。

2 夹具主要零件的设计加工要点

2.1 夹具主体的设计及加工

夹具主体结构如图2所示。选用40Cr制造，夹具主体粗加工完成后需要调质处理，调质至220～280HRB。

2.1.1 圆锥小径的计算

已知：大径D=82mm，圆锥长度L=18mm，圆锥半角a/2=7°，求小径。

根据公式：d=D-2Ltan（a/2）=82-2×18×0.12278=77.58mm。

2.1.2 夹具主体的加工过程

1）粗车：夹右端，车左端φ130 mm外圆，钻φ26孔深95 mm，车锥度孔留余量3～4 mm。调头粗车φ85 mm和φ65 mm外圆至尺寸。粗车φ26 mm外圆留余量3～4 mm，端面留1 mm，最后钻孔至φ12 mm；

图2 夹具主体结构

2）调质225～260HB；

3）选用YT30车刀，刀具装夹必须严格对准工件轴线，否则会出现双曲线误差而影响精度。车左端时为了使端面与圆锥保证跳动0.01 mm，所以要一次性车削；

4）车螺纹：螺纹为公制M30细牙，螺距为2 mm，牙型角为60°。根据公式计算螺纹小径：d1=D1=d-1.082 5×2= 27.835+0.230。刚好与φ28孔相同。孔径车至φ28深97孔底与孔径成90°。最后车螺纹有效长度25 mm，牙型高度h= 0.541 3P=1.082 5；

5）钻孔：在钻床上钻3个均布配合孔φ12 mm，留0.1余量后用铰刀铰出，保证中心线精度φ107+0.05-0.05；

6）调头：把工装套在机床主轴轴颈的圆锥上用螺丝锁紧，车削与顶针孔配套的φ14+0.0250孔，车削与装夹定位块配孔的φ26的外圆与端面并一次完成，以保证同轴度在0.001 mm，垂直度在0.015 mm；

7）分别钻5个M8粗牙螺丝孔并攻螺纹；

8）去毛刺。

2.2 弹簧的选择

在选择弹簧的直径、长度与材料之前，必须先要计算出车削轴的切削力大小。

2.2.1 计算切削力

以半精加工图3的齿轴为例来计算主切削力。工件材料为40Gr，调质处理硬度为212HBS。刀具材料为YT15。刀具几何参数：前角γ0=15°，主偏角Kr=90°，刃倾角λ=+5°，倒棱vf=-10°，刀尖角r=0.25。切削深度t= 3 mm，进给量S=0.4 mm/r，切削速度v= 100 m/min。

图3 齿轴零件图

1）计算主切削力。

考虑刀具磨损,取h后=0.8 mm。

由切削手册查得：Kh后pz=1.12，Kh后py=1.25，Kh后px=1.08。代入公式：Pz=P×t×S×Kspz×Krpz×Kfpz×Kvpz×Kλpz×Kh后pz=200×3× 0.4×0.96×1×1.08×1.05×1×1.12=292.6 kgf。

2）计算径向力Py。

3）计算轴向力Px。

2.2.2 弹簧的确定

由于顶尖轴外径小，工装内孔小，在计算切削力和弹簧圈数过程中，如果使用圆柱形弹簧，则它的工作长度超过了所给定的长度，因此选用了具有外径小、压缩量小特点的碟形弹簧。并且可以通过增减弹簧片数来装夹具有不同类型的中心孔的工件，孔比较大时，顶针的伸出量应该长点，这样可以多加两对弹簧。

在计算弹簧的工作行程时，应使它所能承受的载荷是零件切削力的几倍，这样比较安全。

顶针轴除去尾部螺纹孔顶持部分可穿弹簧长45.5mm，由计算3.5×13≈45，可知此轴可以穿13对高为1.75 mm的碟形弹簧。

通过查蝶形弹簧相关参数表可知：当压力为492 kgf时，弹簧的行程为s=0.188 mm，总弹簧压缩量为：0.188× 13=4.9mm。因此在安装夹具中，用螺母调整顶针的伸缩长度时，要保证定位块与零件端面之间的距离≥4.9mm。

根据上面切削零件相关切削力及蝶形弹簧相关性能参数的计算，此工装选用13对碟形弹簧片可满足加工要求，弹簧片的结构如图4所示。

图4 弹簧结构图

2.3 定位垫圈设计及加工

2.3.1 定位垫圈的设计

定位圈的设计机构如图5所示，材料为40Gr，调质225～260HB。

图5 定位圈结构图

2.3.2 定位垫圈的加工

1）夹右外圆长33～40 mm，削φ90外圆，车左端面与内孔 φ26+0.0210一次车出，以确保垂直度在0.001 mm以内，此精度大小关系到定位刀片定位的精度。锐角倒钝。

2）调头，车端面至尺寸20 mm。

3）在刨床上校正外圆，以保证形位公差（刚好车间有一夹具是用来刨5等份的，公差能保证在0.02 mm以内），刨削10×21方槽。

4）钻：用百分表校正外圆与端面，与保证端面均布5孔中心距φ63±0.05和角度72°在公差范围。钻外圆5个分布M8螺丝孔，用于锁紧定位块。

2.4 定位块设计及加工

2.4.1 定位块设计

定位块的设计机构如图6所示，材料为40Gr，调质225～260HB。

图6 定位块的结构

2.4.2 定位块加工

1）定位块用刨床先粗刨，各留余量0.6～1 mm。把已刨削的一面做基准面，刨削与它垂直的另一平面，留余量0.6～1mm。移动刨刀转角度，刨出45°斜面高度留0.5 mm；

2）因定位块与工件接触，为增加它的冲击韧性、强度，所以锥面部分表面淬火，硬度为45～50HRC；

3）再用磨床磨至尺寸，并且要保证它们的垂直度在0.015 mm以内、平行度在0.01 mm以内，以保证形位精度。螺丝购买标准件。

3 结语

该夹具结构简单、安全、成本低，实际应用结果表明，该夹具与传统的两顶针夹具相比，在保证加工精度的前提下，可以有效降低劳动强度，提高加工效率，节省企业开支，增加经济收益，具有较大的实际应用价值。

［1］ 陈燕.基于不规则零件的加工工艺分析及夹具设计［J］.机床与液压，2011（14）：44-45.

［2］ 司广琚，钟康民.增力自锁型冲击式气动夹具设计与力学计算［J］.机械设计与研究，2003（1）：96-99.

［3］ 朱耀祥，融亦鸣.柔性夹具与计算机辅助夹具设计技术的进展［J］.制造技术与机床，2000（8）：5-8.

［4］ 吴卫东.基于事例推理技术在夹具CAD中应用的研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2001（8）：6-11.

［5］ 史琦.基于实例推理的夹具设计知识表示方法研究［J］.机械设计，2001（1）：3-5.

（编辑：昊 天）

Design and Manufacture of a Rapid and Practical Lathe Clamp

LIU Xiaojuan1,HUANG Xinbing2,CHEN Xianzhao1
（1.CNC Technology Teaching and Research Section,Zhongshan Plytechnic,Zhongshan 528404,China; 2.Electromechanical Integration Specialty，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650,China）

The drawbacks or shortcomings in existing traditional fixture for processing high shape tolerance requirements of parts are analyzed.The corresponding solutions are proposed，and a rapid and practical lathe clamp is develop ed．Its structure，working principle,characteristics and manufacture,are descibed.

clamp;spring;design;structure;machining

TG 751.1

A

1002－2333（2014）04－0062－03

刘小娟（1980—），女，讲师，硕士研究生，研究方向为数控技术、机电设备维修等。

2014-01-02