切刀轴铣削夹具设计

姚东升

（汕头市高级技工学校，广东 汕头 515041）

在切膜机中，切刀轴是整个机器的关键零件，对整个机器质量起着非常重要的作用。因此，在生产加工中，将切刀轴的铣削加工工序列为关键工序，并对其严格控制。由于该零件的加工精度要求高，并且需多次装夹校正，产品合格率及生产效率都非常低，严重制约着厂家的生产效率。为了提高生产率，本人在摸索、总结经验的基础上，与厂家技术人员多次协商，设计了与之相适应的带自定心结构的可翻转的组合式切刀轴铣削夹具。现以某型号切刀轴（如图1）为例介绍如下：

图1　某型号切刀轴零件图

1　零件的加工特点

该厂切刀轴零件的机加工过程是：车加工好毛坯及整个切刀轴外形及φ12mm内孔至尺寸，后用立式加工中心完成铣削三个键槽，两个20mm槽及多个螺纹孔及阶梯孔、斜孔的加工。这个流程需要装夹7次，除了斜孔加工精度要求不高，可在普通钻床上完成外，加工中心上面加工的四面有三次需要使用百分表校正，辅助时间非常多。

在铣削过程中，加工部分分布在切刀轴的四面，20mm的装刀槽要求的平行度、对称度为0.03mm，是整个加工过程中的重点和难点，是产生废品的主要原因。

为保证产品尺寸及形位精度的要求，确定定位基准及如何定位尤其重要。在此前，本人了解到厂家加工原来的加工方案是在工作台上安装好定位块，每次装夹都要使用百分表找正，来保证20mm槽的平行度与对称度，整个加工过程需要多次装夹，辅助时间很长，严重影响加工精度。为了解决该问题，厂家技术人员也尝试做过夹具但效果不理想。后来联系其他厂家，使用四轴加工中心加工，但由于技术原因，质量不稳定，同时加工费用昂贵，使得该厂不得不放弃外加工这一选择。由于该零件批量并不大，厂家没有打算自己购置四轴加工中心，致使该问题一直没有得到有效的解决。

通过校企合作，本人了解到这个问题，在与技术人员深入交流后，了解了产品加工的顺序和要求，认为可以重新设计一套夹具来解决这个问题，但新夹具的设计与制造必须考虑以下几点：

（1）要保证行切刀轴在整个加工过程中的轴跳动要满足加工要求。

（2）要适应不同型号的切刀轴。

（3）要满足前两点，若每个工件仍靠人工校正并每次调整程序上的坐标值，这不利于发挥立式加工中心的高效率，必须通过设计合适的夹具来保证。

（4）考虑加工效率，两个 φ12 mm的 45°斜孔（过线孔）加工精度不高可单独制作夹具，也可另行安排其他工序单独加工。

（5）可参考四轴加工中心的加工方式，采用一顶一夹的装夹方式，但要注意有效消除夹顶装置形位误差对加工的影响。考虑加工零件长短不一，部分零件尺寸规格过长，所以夹具采用分体式，即整套夹具由三大部分组成。

（6）零件右端 φ12mm过线孔应和整个毛坯轴一同加工出来，同时与毛坯轴的外圆同轴度误差不大于0.01mm。

（7）该零件属于细长轴类加工，加工过程中零件受力变形严重影响零件的加工质量，设计夹具时要充分考虑如何解决这个问题。

2　夹具的结构和定位原理

基于上述考虑，我们设计了一种带自定心结构的可翻转组合式的加工夹具，如(图2)所示。该夹具主要三部分组成，分别是左侧的夹紧分度装置，中间的双向平口钳夹紧机构和右侧的顶针机构。其中，左侧的夹紧分度机构由三爪卡盘，定位芯轴，分度法兰盘，左底座，左支架，插销，阿基米德螺线凸轮块和锁紧螺母等组成。中间的双向平口钳夹紧机构由底座和双向平口钳组成，右侧的顶针机构由顶针，右支柱，锁紧螺钉，右底座，丝杆，螺母，燕尾导轨座，压板，镶条,轴承等组成。

图2　切刀轴夹具结构示意图

将夹具的三部分夹具分别置于机床工作台，通过T形槽用螺栓紧固。利用插销和阿基米德螺线凸轮块将三爪卡盘定住，再将车工加工好的毛坯夹紧，注意先不要夹紧，利用扳手扳动丝杆，带动顶尖顶紧，使毛坯左侧端面贴紧定位芯轴后，锁紧三爪卡盘，最后使用双向平口钳夹紧工件，完成第一次装夹。待工件第一面（有键槽的一面）加工好后，松开阿基米德螺线凸轮块和顶针，拔起插销，转动分度法兰盘90°后，插进插销，先后紧固阿基米德螺线凸轮块和顶针，完成二次装夹，进行第二面加工，以此类推，完成第三面和第四面的装夹和加工。

整套夹具在整个加工过程中需要不停翻转，很容易产生累计误差，影响产品精度，这就要求夹具要安装的非常精准，安装过程采用基准棒先装夹在夹具上，通过百分表找正基准棒，使三部分的夹具处在合适的高度和位置上。

3　设计制造中的几个关键问题

（1）定位芯轴与左支撑板的连接方式，定位芯轴在本套夹具中非常重要，它的主要作用一是给工件在X轴方向做定位面，二是连接左支撑板和分度法兰盘，三是作为分度法兰盘旋转分度的轴。考虑定位芯轴的作用，就要确保位置固定的同时，在转动过程中不能产生轴向或径向的跳动，定位芯轴的转动是与左支撑板之间发生，所以定位芯轴与左支撑板的连接方式就要注意。

经过与技术人员协商，我们决定不按照一般轴的安装方式，即利用轴承将轴的位置固定，这样在翻转或受力时容易使定位芯轴差生累积误差或者倾斜、跳动，影响加工精度。我们采用先转动后定位轴的方式，利用定位芯轴的锥面与左支撑板的锥面配合定位。松开阿基米德螺线凸轮块后，定位芯轴可以自由移动和旋转，但紧固阿基米德螺线凸轮块后，定位芯轴的位置就固定了，而且每次旋转后的定位基准未变，所产生的误差将会很小，进而保证加工质量。

（2）定位心轴与分度法兰盘的加工与连接，分度法兰盘连接着三爪卡盘，定位芯轴的转动带动分度法兰盘转动，也就是带动着三爪卡盘转动，那么，三爪卡盘的轴线与定位芯轴轴线之间的重合度误差将严重影响产品质量，即两个20mm宽的装刀槽对称度和平行度无法保障。针对这个问题，我们决定先把分度法兰盘的毛坯与定位芯轴的毛坯连接好，焊接，时效处理后，再加工分度法兰盘两面与定位芯轴整体，将两个零件当成一个零件来加工，这样可大大降低两条轴线重合度的误差。

（3）顶尖的移动方式，顶针的主要作用就是支撑和定位，其主要动作就是前后移动，考虑定位作用时就要注意顶针在受力时不能产生任何径向跳动，否则零件的对称度和平行度将无法得到保证。进过讨论，我们决定将顶针与右支撑柱利用锁紧螺钉固定死，这样顶针在受力时不会因为与配合孔的间隙产生径向跳动，影响产品加工。右支撑柱与燕尾滑板连接在一起，利用燕尾槽结构和丝杆螺母结构前后移动，带动顶针完成支撑和定位的功能。

（4）夹具的调整，本套夹具是组合式可翻转的，零配件较多，任何一个零件的尺寸误差都可能使整套夹具失去作用，而在保证零配件尺寸的同时，由于整套夹具由三大部分组成，安装调整至关重要。本套夹具安装的重点在于左侧三爪卡盘的轴线和右侧顶针的轴线同轴度误差不大于0.015mm，两者与机床坐标轴的平行度误差不大于0.015mm。而且三爪卡盘180°翻转后也要达到这样的精度。才能保证20mm槽的加工精度。

（5）中间双向平口钳夹紧问题，该零件长度比较长，加工中很容易产生变形，而夹具本身是属于旋转分度结构，翻转后因零件变形所产生的误差将使零件精度超差，产生废品，为了解决零件在加工过程中变形的问题，就必须增加零件的刚性，为此我们考虑在零件中间使用双向平口钳夹紧，增加零件在加工时的刚性。考虑零件被夹具左右两部分一夹一顶的装夹方式已经完成定位，双向平口钳的夹紧会产生过定位现象，同样影响零件质量，我们使用铝料制作双向平口钳的钳口，这样在保证增加零件刚性的同时，不影响零件的定位，避免了过定位的发生。

4　夹具定位误差分析及夹紧力分析

4.1　定位误差分析

造成定位误差的原因来自两个方面：一是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差△B；二是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差△Y。因此定位误差便这两项误差之和即为：△D=△B+△Y。

为了减少定位误差给加工带来加工误差，本夹具选择了弹簧插销定位装置来作为工件加工的翻转角度限位。因为它是利用“插销锥头配合插入装夹板锥孔”的方式，来消除翻转后，翻转角度定位不准造成的不利影响。使这些误差或偏差相对于所定中心的位置，能均匀而对称地分配在装夹板的定位基准面上。只要夹具元件制造保证精度，则上述的△B和△Y几乎可以忽略不计。

图3　夹具锁紧受力图

4.2　夹紧力的分析

在加工过程中，要保证工件不离开定位的正确位置，夹具就必须有足够的夹紧力来平衡切削力、惯性力、离心力及重力对工件的影响。本夹具的锁紧装置利用阿基米德螺线端面凸轮机构组成，其特点是具有锁紧力大；自锁性能好；并可实现快速夹紧和快速松夹等。

由于阿基米德螺线凸轮其工作面与矩形螺纹工作面完全相同，所以可按螺纹锁张力来计算受力图 （如图 3）所示。

由受力图分析向下拉紧力可由：

由上式计算结果可知该结构具有足够的锁紧力，完全可达到锁紧要求。

4.4　夹具自锁能力的校核

本夹具采用阿基米德螺线凸轮机构其导程为20mm，凸轮圆柱直径为80mm。因此螺线升角为：根据45#钢的静摩擦系数，其摩擦角，根据自锁条件，则该机构具有较强的自锁能力。

4.5　夹具的主要优点

该夹具具有以下优点：

（1）定位精确，自定心效果好，且操作简单，方便装卸。

（2）各个零配件形状简单，自己工厂就可以加工，节省加工成本。

（3）产品质量得到显著改善，尺寸精度及形位公差得到了保证。

（4）减少了每件产品用百分表精校的麻烦，现只需对首件或前几件产品校验，中途按比例抽检即可，节省了校正时间，效率明显提高，比较原来的加工方式效率提高接近5倍，合格率也大幅提高。

5　结语

本次针对切刀轴零件进行分析，并对该零件设计出一套应用夹具，简化了装夹难度，降低劳动强度和操作技术要求，从而提高了加工质量和工作效率，而且装夹定位原理比较简单适用于员工技术水平不等的班组加工生产，获得厂家的肯定。最后说明，该夹具具有一定的通用性，通过调整右侧顶针机构的位置与顶针的大小，还可以装夹其他型号的切刀轴，扩大了这套夹具的使用范围。

【参考文献】

［1］冯辛安.机械制造装备设计(第 2版)[M].北京：机械工业出版社,2005.

［2］侯放.机床夹具[M].北京：中国劳动社会保障出版社,2007.

［3］王健石.机床夹具和辅具速查手册[M].北京：机械工业出版社,2007.