细长轴类零件的柔性夹具设计

杜江升，陈君宝

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰442002）

细长轴类零件的柔性夹具设计

杜江升，陈君宝

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰442002）

对细长轴类零件的工艺进行了分析，设计了在立式加工中心上加工细长轴类零件的柔性夹具。通过本夹具可以批量安装细长轴类零件，以实现铣、钻、扩、铰、镗等工艺过程。应用表明本设计可以降低成本、提高效率、提升质量。

细长轴；批量加工；柔性夹具

1　细长轴加工工艺方案

细长轴类零件是常见机械零件，在外圆加工后，其上有平面、曲面、直孔、锥孔、销孔等需要加工。拨叉轴类零件如图1所示，材料为35#冷拔钢，前期工艺为“切断→无心磨（加工外圆）→C1倒角”，其中C1倒角为本夹具的定位基准，需加工平面、曲面、锥孔等，加工工艺为铣平面、铣曲面、钻底孔、铰锥孔。设备选用立式加工中心，刀具选用整体硬质合金刀具，夹具采用柔性夹具，数控加工程序控制加工过程。

工艺方案主要有2种：1）采用工序分散原则，每序设计专用夹具，在通用设备上进行加工，综合成本高、效率低［1-2］；2）采用工序集中原则，在车铣复合加工中心上进行加工，投入成本高，同时细长轴质量不好保证，综合效率低，综合成本高。通过图1所示零件的工艺分析，设计了在立式加工中心上批量加工的柔性夹具，夹具上配置2个伺服电机、直线导轨及滚珠丝杆等。通过伺服电机驱动的齿轮齿条转位系统、液压自定心定位夹紧机构、伺服电机驱动的辅助支承机构，本夹具可批量安装8～20件直径为10～30mm、长度为100～800mm的细长轴类零件，实现铣、钻、扩、铰、镗等工艺过程。

图1　拨叉轴类零件

2　总装配图

细长轴类零件在立式加工中心上批量加工的柔性夹具总装配图如图2所示。

1）立式加工中心立式加工中心机床精度符合工艺要求，价格比较低，数控系统改造比较容易。

2）批量加工夹具是安装在立式加工中心上，其主轴换刀时间比较长，所以通过批量安装减少换刀时间。

3）液压自定心定位夹紧机构为提高自动化程度及定位精度，采用液压自定心定位夹紧机构，可实现不同直径零件的自定心定位夹紧。

4）齿轮齿条机构图2中的右视图去掉了电机、隔套等零件，主要是表达齿轮齿条传动。零件的转位通过电机驱动驱动齿轮、通过齿条传递到10个从动齿轮，再通过液压自定心定位夹紧机构中的从动齿轮普通平键驱动压自定心定位夹紧机构整体旋转，这样实现10个零件的同步旋转，旋转范围是［-180°，180°］，主要考虑液压软管的状态。由于齿轮传动有冲击及震动，需提高齿轮精度或改为同步齿形带传动。

5）伺服电机驱动的辅助支承机构针对细长轴类零件，长径比大，在钻孔时，径向力比较大，如加工图1中A-A剖面中的孔，此时零件弯曲变形，影响加工质量，所以采用浮动V形进行辅助支承。

6）装夹不同长度的零件通过移动在直线导轨上的右支架，可装夹不同长度的细长轴，右支架调整到位后，其位置可水平任意调整。通过右支架固定螺钉固定右支架的位置。

图2　细长轴类零件在立式加工中心上批量加工的柔性夹具总装配图

2.1液压自定心定位夹紧机构

液压自定心定位夹紧机构见图3。结合图1，坐标系定义水平为X轴，垂直向上为Z轴。弹簧卡头内孔限制，内孔台阶面限制，右浮动定位套筒限制，共限制零件的5个自由度，符合定位要求。此时，左滑动轴承与右滑动轴承保持同心Ф0.02 mm以内，弹簧卡头的设计、制造也至关重要［3］。零件右端C1倒角与右浮动定位套筒接触，压缩弹簧到足够距离，把零件左端放入弹簧卡头中，液压缸收缩，带动弹簧卡头左移到位，右浮动定位套筒在弹簧力的作用下伸出，保持与零件的接触。零件实现自定心定位及夹紧。通过更换弹簧卡头与旋转套，可定位夹紧不同直径的细长轴。弹簧的弹力大小也可通过调整右支架的位置来调整。

图3　液压自定心定位夹紧机构

2.2伺服电机驱动的辅助支承机构

伺服电机驱动的辅助支承机构见图4。浮动支撑支架内部有液压管路及气路，与液压辅助支承缸相通。通过滚珠丝杆及电机移动在直线导轨上的辅助支承机构（图2），随加工位置的变化而移动，提高了加工零件的抗弯刚度，减少了变形提高加工质量。如图5所示，加工区域1时，辅助支承机构在区域1位置；加工区域2时，辅助支承缸带动V型块下移15 mm，通过滚珠丝杆带动平衡到区域2位置，然后上移动15 mm，与零件接触，实现新位置的辅助支承。通过更换浮动V型块可适应不同直径的零件或调整辅助支承缸的高度。

图4　伺服电机驱动的辅助支承机构

图5　辅助支承随加工位置变化而变化

2.3电气、液压、冷却、润滑、防护罩

柔性夹具能否成功，除机械结构外，其它部件也很重要。

1）伺服电机的控制该柔性夹具选用2个伺服电机，需与数控系统联调在一起。在编制数据加工程序时，这2个伺服轴不参与联动，但数控加工程序需对其进行控制。

2）液压缸、液压辅助支承缸控制液压缸用于夹紧与松开零件，在数控加工程序的头和尾进行控制，但液压辅助支承缸的升降随加工区域、刀具的不同而不同，在编制数控加工程序时需谨慎处理。

3）切削液的使用为避免铁屑粘结在浮动V型上，其内有冷却液孔，可通冷却液，冷却液喷出，把落在浮动V型块上的切屑冲走。

4）润滑转动部位采用滑动轴承和止推轴承，定时定量进行润滑，减少摩擦，提高使用寿命。

5）防护罩为防止铁屑落在直线导轨、滚珠丝杆上，在左支架、浮动支承支架和右支支架之间有防护罩。

3　结论

通过应用验证，该柔性夹具提高了加工质量，通过可移动的伺服电机驱动的辅助支承机构，提高了被加工部位的刚度（抗弯刚度）；该夹具批量装夹，减少了立式加工中心的换刀时间，减少了机加工时间，提高了加工效率；该柔性夹具可针对不同品种的系列细长轴零件，减少了夹具、机床和人工投入，综合成本降低。

［1］王宝玲.细长轴上径向孔的加工分析［J］.工具技术，2015，49（3）：66-67.

［2］杜新宇.变速箱拨叉轴圆弧槽铣夹具的设计及制造［J］.机床与液压，2015（7）：37-39.

［3］聂荣臻，蔡舒旻.基于变速箱拨叉零件加工的弹簧夹套改进［J］.林业机械与木工设备，2015（9）：35-36.

Design of Flexible Fixture for Slender Shaft Parts

Du Jiangsheng，Chen Junbao
（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

The process of the slender shaft parts was analyzed，the flexible fixture for machining slender shaft parts in the vertical machining center was designed.The slender shaft parts can be installed in bulk by the fixture to achieve the milling，drilling，reaming，reaming，boring process，etc.The applica⁃tion shows the flexible fixture designed can reduce the cost，improve the efficiency and quality.

slender shaft；batch processing；flexible fixture

TG75

A

1008-5483（2016）02-0040-03

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.010

2016-03-30

湖北省教育厅项目（D20151803）

杜江升（1992-），男，山西吕梁人，从事机械设计制造及自动化方面的研究。E-mail：1971726673@qq.com

陈君宝（1975-），男，黑龙江依兰人，副教授，从事机械制造装备设计、机器人应用技术研究。E-mail：2242948988@qq.com