实现工件全长车削加工的端面驱动夹具

沈　健　刘晓辉　袁　华

(①合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009；②中欧工业技术咨询公司，德国 Lauffen)



实现工件全长车削加工的端面驱动夹具

沈健①刘晓辉①袁华②

(①合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009；②中欧工业技术咨询公司，德国 Lauffen)

端面驱动夹具+尾架顶尖夹持轴类工件，可以实现一次装夹完成全长车削加工，加工精度和加工效率高。介绍了该端面驱动夹具的工作原理和应用特点。

端面驱动夹具；车削加工；轴类零件

长轴加工一般采用采用卡盘+尾架顶尖夹持。但采用卡盘夹持一般不便于实现轴类工件的全长加工，一根轴需要先加工一端，再掉头加工另一端。二次装夹会降低轴的加工精度和加工效率。德国NEIDLEIN-SPANNZEUGE公司的端面驱动夹具(亦称：驱动顶尖、端面驱动器)提供了一种轴类工件全长车削加工的解决方案，它采用端面驱动夹具+尾架顶尖的夹持方式，由安装在车床主轴上的端面驱动夹具通过轴端面提供驱动力，带动轴类工件旋转。目前已有国内企业在使用端面驱动夹具[1-2]。

1　端面驱动夹具的工作原理

端面驱动夹具是一种安装在机床主轴上使用的工件夹具，与尾架顶尖配合使用，负责将机床主轴产生的扭矩传递到置于两顶尖之间的被加工工件上。

端面驱动夹具与机床主轴的连接可以有多种形式，常用的有法兰连接和莫氏锥连接。当端面驱动夹具的接口与机床主轴的接口形式不同时，可以通过过渡法兰实现连接。

端面驱动夹具主要包含二部分：定心顶尖和驱动刃。定心顶尖对工件进行定心定位；驱动刃通过吃入工件端面，将机床主轴的驱动力传递给工件。

常见的端面驱动夹具有3种结构形式：

(1)定心顶尖可以轴向伸缩，驱动刃固定。(2)定心顶尖固定，驱动刃可以轴向伸缩。(3)定心顶尖和驱动刃合二为一，在顶尖的锥面上带有刃口。

1.1定心顶尖可以轴向伸缩，驱动刃固定的FSB型端面驱动夹具

图1是FSB型端面驱动夹具的结构图。这种端面驱动夹具的定心顶尖1可以轴向伸缩，6个驱动刃2装在浮动盘3上，轴向不能伸缩。当工件端面不平整时，浮动盘3摆动，起到一定的补偿作用，使6个驱动刃2均匀地接触工件端面。

图2是FSB型端面驱动夹具的工作原理图，工作时，通过尾架顶尖的尾架推力使工件对端面驱动夹具的定心顶尖产生轴向压力，致使定心顶尖回退，直至驱动刃吃入工件端面。位于浮动盘上的驱动刃将机床主轴旋转时产生的扭矩传递到工件上。

使用FSB型端面驱动夹具的机床的尾架顶尖要能够轴向进给和退回并且提供足够的轴向推力。

1.2定心顶尖固定，驱动刃可以轴向伸缩的FFB型端面驱动夹具

FFB型端面驱动夹具的结构如图3所示。FFB型端面驱动夹具的定心顶尖1是固定的，不能轴向伸缩，5个驱动刃2装在浮动盘3上，浮动盘3和推杆4连接，推杆4可以通过浮动盘3带动驱动刃2轴向伸缩。当工件端面不平整时，浮动盘3摆动，起到一定的补偿作用，使5个驱动刃2均匀地接触工件端面。

FFB型端面驱动夹具的工作原理如图4所示。工作时，端面驱动夹具的定心顶尖和尾架顶尖先从二端将工件顶住定位，机床主轴里的回转油缸或回转气缸再推动端面驱动夹具的推杆，推杆通过浮动盘推动5个驱动刃，使驱动刃吃入工件端面，从而将机床主轴旋转时产生的扭矩传递到工件上。

使用FFB型端面驱动夹具的机床的尾架顶尖要能够轴向进给和退回并且提供足够的轴向推力，同时机床主轴要带有回转油缸或回转气缸，为驱动刃提供推力。

1.3定心顶尖和驱动刃合二为一，在顶尖的锥面上带有刃口的NDG型端面驱动夹具

图5是NDG型端面驱动夹具。NDG型端面驱动夹具的工作原理如图6所示。这种端面驱动夹具将定心顶尖和驱动刃合二为一，在顶尖的锥面上带有刃口，主要用于管件加工。工作时通过尾架顶尖的推力使锥面上的刃口吃入管件内孔的边缘，将机床主轴旋转时产生的扭矩传递到管件上。

使用NDG型端面驱动夹具的机床的尾架顶尖要能够轴向进给和退回并且提供足够的轴向推力。

2　端面驱动夹具的驱动刃的结构形式

对于不同的加工对象，端面驱动夹具的驱动刃有多种结构形式，主要有如下几种：

2.1普通驱动刃

普通驱动刃用于夹持低硬度材料的工件，通常用高速钢制造，带有刃口，工作时吃入工件端面，有用于机床主轴逆时针转动的SR型，顺时针转动的SL型和双向转动的NV型，如图7所示。

2.2KV-HS型驱动刃

KV-HS型驱动刃用于夹持高硬度的工件，它的头部有硬质合金涂层，并且端面为十字齿型结构，如图8所示。

2.3FV型驱动刃

FV型驱动刃用于夹持高硬度的工件，它的头部有金刚石涂覆层，并且端面带有锯齿型结构，如图9所示。

2.4整体硬质合金驱动刃和用硬质合金刀片的驱动刃

整体硬质合金驱动刃的结构和图7所示的普通驱动刃的结构相同，只是整体用硬质合金制造。用硬质合金刀片的驱动刃如图10所示，它使用硬质合金刀片，节省硬质合金材料，并且刀片可以更换。有用于机床主轴逆时针转动的SR型和顺时针转动的SL型。

3　端面驱动夹具的工艺参数计算

端面驱动夹具在选型和使用时需要计算尾架推力和机床切削参数。

3.1端面驱动夹具的驱动刃工作推力F[3-4]

端面驱动夹具的驱动刃工作推力F是指使驱动刃吃入工件端面所能施加的最大推力。

当驱动刃与工件为刃口接触(如普通驱动刃、整体硬质合金驱动刃和用硬质合金刀片的驱动刃)时，刃口最大负荷为300 N，这类驱动刃用于未硬化的工件，驱动刃工作推力：

F(N) =刃口负荷(N/mm)×刃口长度(mm)×驱动刃数

当驱动刃与工件为面接触(如KV-HS型驱动刃和FV型驱动刃)时，接触面为纯金刚砂涂层，接触面最大负荷为100 N；接触面为细齿-金刚砂面或十字齿-硬材质涂层面，接触面最大负荷为200 N/mm2。面接触的驱动刃用于硬化的工件。驱动刃工作推力：

F(N)=刃面负荷(N/mm2)×刃面面积(mm2)×驱动刃数

尾架推力FR是指工作时尾架顶尖所能施加的最大推力。工作时不要超过它。不同结构的端面驱动夹具的尾架推力的计算方式不同。

3.2.1FSB型端面驱动夹具的尾架推力

FSB型端面驱动夹具的定心顶尖可以轴向伸缩，尾架推力：

FR=驱动刃工作推力F+驱动顶尖的弹簧力FF

当工件重量WG大于500 kg时，尾架推力必须同时大于工件重量的0.6倍。即：

FR>0.6×工件重量WG·g(g为重力加速度)

3.2.2FFB型端面驱动夹具的尾架推力

FFB型端面驱动夹具的定心顶尖固定，驱动刃可以轴向伸缩，尾架推力：

FR=1.3×驱动刃工作推力F+0.5×工件重量WG·g

3.3机床最大切削横截面积qmax(mm2)[3-4]

机床最大切削横截面积：

qmax(mm2) = 进给量f(mm/r)×最大切削深度a(mm)

根据qmax可以计算进给量f或者最大切削深度a(选择一个参数计算另一个参数)。

目前只能计算未硬化工件的qmax(驱动刃与工件为刃口接触)，硬化工件的qmax(驱动刃与工件为面接触)目前还无法计算，有关夹具公司可以提供可传输的近似最大扭矩值。不同结构的端面驱动夹具的qmax的计算公式不同。

FSB型端面驱动夹具的qmax(mm2)：

(1)

式中：FR为尾架推力，N；m为材料因素；D为车削直径，mm；d为夹紧直径，mm。

FFB型端面驱动夹具的qmax(mm2)：

(2)

式中：FS为回转油缸推力，N；m为材料因素；D为车削直径，mm；d为夹紧直径，mm。

上述公式(1)、(2)中的材料因素m可以从端面驱动夹具的使用说明书中查得。

4　结语

德国NEIDLEIN-SPANNZEUGE公司设计、制造的端面驱动夹具具有优良的技术性能，可以实现轴类工件一次装夹完成全长车削加工，加工精度高，稳定可靠，生产效率高，是当今国际上最先进的机床夹具之一，在机械制造中应用广泛。

[1]漆益龙,田冠军,谢立湘.端面驱动顶尖在轴类零件加工中的应用[J].汽车工艺与材料，2014,29 (1)：36-39.

[2]普宁,刘达.端面驱动顶尖在气门车加工中的应用[J].南方农机,2015(7)：25-26.

[3]Betriebsanleitung-Neidlein-Stirnmitnehm er-FSB[Z].德国NEIDLEIN-SPANNZEUGE公司，2015.

[4]Betriebsanleitung-Neidlein-Stirnmitnehm er-FSB[Z].德国NEIDLEIN-SPANNZEUGE公司，2015.

(编辑李静)

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Face drivers for turning workpieces between centers

SHEN Jian①, LIU Xiaohui①, YUAN Hua②

(①School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN;②Consulting Company of Industrial Technology in Central European, Lauffen, Germany)

Shaft parts are clamped between centers. The entire surface of shaft parts can be turned with one single clamping; machining accuracy and machining efficiency is high. So working principle and application characteristics of face drivers are introduced in the paper.

face drivers; turning; shaft parts

TH122；TG751.1

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.032

2016-06-22)

161036