平面三滚柱自动定心夹具主要结构参数分析*

苏沛群，邓志辉，张西良

(1.常州信息职业技术学院 机电工程系，江苏 常州 213164；2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江212013)

平面三滚柱自动定心夹具主要结构参数分析*

苏沛群1，邓志辉1，张西良2

(1.常州信息职业技术学院 机电工程系，江苏 常州 213164；2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江212013)

文章主要对平面三滚柱自动定心夹具中工件内径对夹具主要结构参数的影响进行了研究。针对工件加工时需自锁且能在结束时方便松开的要求，分析了夹具各主要结构尺寸的公差与工件内孔尺寸精度之间的关系，提出了楔紧平面到中心的距离和滚柱直径的公差的计算方法。得出了工件内孔尺寸必须满足一定的精度要求；工件内孔所需的精度要求不仅与滚柱和楔紧平面到中心距离的制造精度有关，还与工件内径的大小有关，且内径尺寸越大，所需的精度等级越低的结论。

夹具；滚柱；楔角；精度；公差

0 引言

专用夹具是机械加工的一个重要组成部分，是针对某工件的某道工序而专门设计的夹具[1]。在盘套类零件批量加工的专用夹具中，为了提高定位精度，保证加工后的壁厚均匀，常采用自动定心夹紧机构，它能同时使工件得到定位、夹紧和定心[2]，既能够实现基准重合，满足内、外圆同轴度的要求，又能有效提高加工效率。

1 三滚柱自动定心夹具结构

图1为平面三滚柱自动定心夹具的结构图。工件内孔及后端面作为定位基准，在心轴上有三个均布的楔紧平面，滚柱保持架上开有三个长槽，槽内装有三个等直径的滚柱。在工件装夹之前，将滚柱保持架顺时针带动滚柱转动一小角度，使滚柱处于缩回位置，此时，三滚柱所包络的直径变小，工件安装后，再将滚柱保持架逆时针旋转，同时将三个滚柱挤出而使工件预定心和夹紧。加工外圆时，由于心轴逆时针旋转，滚柱受摩擦力作用被楔紧在楔槽内，形成自锁[3]，当工件外园受到切削力作用时，由于正压力和滚柱产生的离心力使工件被滚柱可靠地自动定心并夹紧，切削力越大，夹紧力越大。加工完成后，将保持架顺时针旋转即可很方便地卸下工件。平面三滚柱定心夹具由于具有能自动定心、靠切削力自动夹紧、操作方便、装夹效率高等优点，常用于内、外圆有同心度要求的盘套类零件的磨削或车削加工。

图1 平面三滚柱定心夹具结构

2 三滚柱自动定心夹具主要参数的确定

2.1 楔角α的选择

图2为滚动体与工件、心轴体的关系图，工件加工时，首先要保证工件在自动定心心轴上能可靠夹紧。假设滚柱、工件、夹具体均为钢性件，工作时自锁夹紧的条件为滚柱与工件的内表面在图2的接触点A处不打滑[4]，因此必须满足：

μ×FN>Ft

(1)

μ—滚柱与工件之间的摩擦系数

Ft—滚柱在接触点A处受到的切向力

FN—滚柱在接触点A处受到的正压力

以滚柱为分析对象，要使滚柱工作时不产生滚动，根据力矩传递平衡条件，接触点B受到的旋转合力矩应平衡[5]，分析图2可得：

(2)

α—楔角

AB—A点至B点的线段长度

由(1)式和(2)式可知：

一般钢铁件接触表面摩擦系数μ=0.1～0.15，所以自锁条件为：α<11°～17°[6]，楔角α过大，工件夹紧不可靠；α角过小，工件松开困难，空行程较大，通常取α=6°～ 8°。

图2 滚动体与工件、心轴体的关系图

2.2 滚柱直径d和楔紧平面到心轴中心距离C

的确定

根据夹具设计手册，一般取滚柱直径d=D/(4.5～6)，以下以d=0.2D为例进行分析计算。

由图2根据机械设计手册[7]可知：

(3)

d—滚柱直径

D—工件内径

C—楔紧平面到心轴中心的距离

3 主要结构参数的变化对工件内孔尺寸D

的影响程度

由公式3可知：

(4)

(5)

(6)

4 工件内孔D的精度要求分析

由公式(3)得：

(7)

工件内孔的精度必须保证工件装夹后，楔角α在6°～8°的要求范围内。分析式(7)可知：C越大，cosα越大；d越大，cosα越大；D越大，cosα越小。且cosα为减函数，由式(7)可得：

即：

(8)

即：

(9)

由式(9)减式(8)得：

TD+Td=1.005508(-2TC-Td)+0.00432(2Cmin+dmin)

TD≈0.00432(2C+d)-2.011Tc-2.006Td

(10)

TD—工件内径D的公差

TC—楔紧平面到心轴中心距离C的公差

Td—滚柱外径d的公差

由于α在6°～8°内变化，cosα变化较小，将α=7°和d=0.2D代入公式(3)可求得尺寸C≈0.297D。将C=0.297D、d=0.2D代入公式(10)可知：

TD≈0.00343D-2.011Tc-2.006Td

(11)

根据标准公差和基本偏差国家标准[9]，等级IT5至IT18的标准公差数值作为标准公差因子i的函数，标准公差因子i由下式计算[10]：

i=0.45L1/3+0.001L

(12)

i—μm

L—基本尺寸段的几何平均值

对一般精度的零件其标准公差数值由国标GB/T1800.3规定的公式进行计算。如果尺寸L的公差等级取IT6，则尺寸L的公差值TL=10i；若公差等级为IT7； 其公差值TL=16i；若公差等级为IT8，其公差值TL=25i；若公差等级为IT9，其公差值TL=40i。

如果尺寸C和d的公差等级均选IT8，将C≈0.297D、d=0.2D代入式(12)得：

TC=25iC×10-3=(7.51D1/3+0.00743D)×10-3

Td=25id×10-3=(6.579D1/3+0.005D)×10-3

将TC和Td代入式(11)得：

TD≈0.0034D-0.0283D1/3

(13)

同理：当尺寸C和d的公差等级均选IT7精度时：

TD≈0.003414D-0.0181D1/3

(14)

当尺寸C和d的公差等级均选IT6精度时：

TD≈0.00342D-0.01132D1/3

(15)

对式(13)求一阶导数得：

表1为当C和d选用不同的精度等级时，根据式(13)、(14)、(15)计算的不同工件内径尺寸必须满足的公差等级。

表1 工件内径必须满足的公差等级

根据表1可知，使用平面三滚柱定心夹具时，工件内径必须满足一定的精度要求。当C和d选用不同的加工精度时，不同内径大小的工件，其内径要求的精度也不相同。

5 根据工件内孔D公差确定d 和C

的公差

5.1 确定C和d的公差等级

设计平面三滚柱定心夹具时，首先通过已知工件的内孔公差TD查表1或根据公式(13)、(14)或(15)进行分析计算。

(1)如果根据TD分析计算得出C和d的公差等级为IT7或IT8，则按此结果进行后面的计算。

(2)如果根据TD分析计算得出C和d的公差等级大于或等于IT9，建议C和d的公差等级选用IT9。

(3)如果根据TD分析计算得出C和d的公差等级小于IT7，建议将C和d的公差等级按IT7代入公式(14)，计算出要求的工件内径工艺公差TD，确定工件内孔D的工艺公差等级。

(4)如果得出的内孔D的工艺公差等级小于IT7，建议改用其它的夹紧方式。

根据确定的C和d的公差等级，查表得C和d的公差TC和Td。

5.2 确定d和C的上下偏差

根据d≈0.2D，圆整确定d的基本尺寸。一般d的公差带选用h，根据已经确定的d的公差等级，确定滚柱的尺寸及公差。

根据C=0.297D确定C的基本尺寸。

根据公式(8)可得尺寸C的上偏差

(16)

根据公式(9)可得尺寸C的下偏差

(17)下面是一平面三滚柱定心夹具参数计算的实例。某企业批量加工一衬套，其形状和主要尺寸见图3。内孔φ和外圆φ有同轴度要求。现采用先加工φ内孔，然后使用平面三滚柱定心专用夹具，以内孔和左端面定位，靠切削力自动夹紧工件，精加工φ外圆。分析图3可知，工件内径D=φ50，公差TD=0.039，公差等级为IT8。根据表1可知，滚柱直径公差等级可选用IT8。由d≈0.2D可确定滚柱直径d为φ。

根据C=0.297D求得C=14.85。根据公式(16)可得尺寸C的上偏差ESC=0.0406。

图3 衬套

6 结论

(1)使用带平面三滚柱自定心夹具，工件内孔必须满足一定的精度要求，工件内孔尺寸越大，所需的精度等级越低。

(2)滚柱直径d和楔紧平面到心轴中心的距离C应选用相同的公差等级。

(3)若工件内孔具有较高的精度等级，则d和C可以选用较低的精度等级，以便节省制造成本；若工件内孔精度等级较低或为自由公差，则d和C应选用较高的精度等级，同时要求工件内孔达到一定的工艺尺寸精度，以满足定位和夹紧的需要。

(4)如果因工件内孔尺寸较小而要求过高的内孔工艺尺寸精度时，综合考虑加工成本等因素，建议改用其它的方式进行定位和夹紧。

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(编辑 李秀敏)

Main Structure Parameters Analysis of Planar Three Roller Automatic Centering Fixture

SU Pei-qun1,DENG Zhi-hui1, ZHANG Xi-liang2

(1. Machinery and Electron Engineering Department, Changzhou College of Information Technology, Changzhou Jiangsu 213164, China; 2. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China)

This paper mainly studies the effects of workpiece inner diameter in plane three roller automatic centering fixture to the main structure parameters of fixture. According to requirements of locking when manufacturing and conveniently release when ending, analyzes the relationship between tolerance of major structure dimension of fixture and the inner hole size precision of workpiece. puts forward the calculation method of the distance which is the wedge surface to center and tolerance of the roller diameter. Drawing a conclusion that the size of the inner hole of the workpiece must satisfy a certain precision, the required precision of workpiece inner hole is related not only with the manufacturing accuracy of the distance of the roller and a wedge surface to center, but also with inner diameter of workpiece. Diameter is greater, the required level of accuracy is lower.

fixture; roller; wedge angle; precision; tolerance

1001-2265(2014)07-0145-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.042

2013-10-22；

2013-12-17

国家自然科学基金(51175230)

苏沛群(1962—)，男，江苏常州人，常州信息职业技术学院副教授，高级工程师，研究方向为机床夹具设计、液压系统设计等，(E-mail)854006713@qq.com。

TH122；TG751

A