电主轴后培林座铣床加工工艺分析和夹具设计

2020-03-02曾福辉

机械工程师 2020年2期

曾福辉

（广东省技师学院，广东惠州516100）

0 引言

电主轴上的零件基本都为轴套类的回转体零件，除了内外圆和端面的配合外，每个零件上的孔位尺寸和位置精度确保了电主轴的冷却循环系统和空气清洁系统的性能，并使电主轴中的各个部件相互保持正确位置。由于电主轴上需铣床加工的配件较多，文中现主要对后培林座的铣床加工进行分析，通过分析了解后培林座外观形状及技术要求等一系列问题，选取合适的加工基准面，从而进行工艺编制。在夹具设计方面，根据切削力和生产规模的大小，设计高效合理的夹具，以达到高精度、高效率、高品质的生产要求。

1 工艺分析

1.1 后培林座的作用

后培林座是电主轴中的一个关键零件,如图1所示。后培林座上需要安装轴承、接近开关和编码器，并且还有水气过孔。此零件除了内外圆和端面与电主轴其它零件的高精度配合外，零件上的孔和槽对于电主轴的综合性能也有不可忽视的影响。因此对于后培林座上预压弹簧孔位的深度和位置、接近开关和编码器安装槽位置、水气路过孔和密封槽的加工精度都有着严格要求。

1.2 后培林座的加工工艺分析

后培林座有几组主要的加工方面，它们相互间有一定的关联和要求。在电主轴中，轴套类等回转体零件除了内外圆和端面的加工质量外，零件中孔位和凹槽对于电主轴的整体性能也起到重要的作用，文中重点对铣床加工工序中的加工工艺进行分析。

此工件结构较复杂、加工面较多、技术要求高、机械加工的劳动量大。因此机械结构工艺性对保证加工质量、提高生产效率、降低生产成本有重要意义。具体工序为：下料（3Cr13棒料）→精车外形→铣上端面孔和凹槽→铣下端面孔和凹槽→热处理→精磨外形→去毛刺、清洗→终检入库。

图1 后培林座

从后培林座的各个需要加工的位置来分析：为了保证密封O形环的密封性，上端面的O形环沉台的深度尺寸精度需控制在+0.05～0 mm，且沉台直径尺寸精度需控制±0.03 mm内，表面粗糙度要求为Ra1.6 μm；水气过孔位置度公差要求较高，为0.1 mm以内；为使轴承安装到后培林座上后受到的预压力均匀分布，预压弹簧的位置须均匀分布，其深度需控制一致，表面粗糙度要求为Ra1.6 μm；编码器和接近开关安装槽的尺寸精度要求一般，按GB/T1804-2000f标准即可，表面粗糙度要求为Ra1.6 μm；各连接螺纹孔的位置精度要求较高，为0.1 mm以内。因内藏式电主轴结构的紧凑性，各个孔位和槽之间的相互位置精度需控制在0.05 mm以内，保证电主轴上其余配件准确安装，以确保电主轴的性能。除了线圈过线孔处的穿线槽在另一端面，其余槽和孔从同一方向即可加工完成。法兰盘处的底面上有几处腰形槽，因此需装配O形环，槽的周长大小须严格控制，表面粗糙度要求为Ra1.6 μm。后培林座在铣床加工之前的车床工序中，后培林座内孔由数控车床加工，尺寸公差控制在0.02 mm以内，且内外圆的同心度与端面垂直度均控制在0.02 mm以内。

综上所述可知，后培林座在批量生产条件下，在铣床加工工序中，需设计专用的夹具进行辅助加工，以保证其尺寸精度、表面质量要求和生产效率。

2 夹具设计

通过工艺分析可知，各个孔位和槽形的加工需设计专用夹具。工件的装配基准为底面与内孔，所加工的孔与槽均为IT7级精度，装配的基准面和定位孔已精加工过，使用专用夹具以辅助工件的加工，降低了成本和工人劳动强度，提高了生产率。

2.1 夹具主体结构设计

该夹持装置所采用的是气动和螺旋夹紧的复合夹紧方式，具有半自动化的特性，并且在保证一定的夹持力的条件下，也提高了工件的装夹速度。该装置包括夹具模板、气缸、电磁阀、气缸拉杆。夹具模板包括底板和侧板，两块侧板固定于CNC铣床的工作台上，底板通过螺钉固定在两块侧板上为气缸的安装留出合适的空间，气缸安装在底板的下平面，气缸拉杆穿过底板上的定位孔。

2.2 定位元件的设计

由于电主轴上的零件基本都为回转体类的零件，所有相关尺寸的位置精度都是以中心轴线为基准，工件以一面两销定位，定位元件应与外圆或内圆进行配合，考虑到定位元件的加工难易程度，一般定位元件与加工工件的内孔进行配合，定位元件与工件和夹具定位座面板内外圆的配合为H7/g6。定位元件结构如图2所示，上端外圆与工件内圆配合，下端与夹具模板上的定位孔进行配合，下端的尾部锁上拉钉。

2.3 夹紧装置的设计

图2 快速夹具结构示意图

该夹持装置所采用的是气动夹紧和螺旋夹紧的复合方式，为使工件加工满足精度要求，工件在加工过程中不因刀具切削的作用产生振动，所以夹具需对工件施加合适的夹紧力，且夹紧力方向应使工件变形尽可能小。为此，夹紧力的方向最好与切削力、工件重力的方向重合，相对而言，这时所需夹紧力最小。由于后培林座结构较为复杂，孔位较多，且尺寸和形位公差要求较高，加工切削量大，需要较大的夹紧力，选用螺旋压板夹紧的方式。螺旋夹紧结构简单，且自锁性能好，增力比大。并且在此方式上加以改进优化，工件不直接通过压板锁在工作台上，而是先把工件与定位元件通过压板锁在一起（用电批上螺钉，需调整转矩，本论文分析的定位元件采用的是M8螺钉，转矩大小为17 N·m），此时打开电磁阀控制气缸的动力输出，主气源向气缸输出0.5～0.6 MPa的压缩空气，通过气缸顶杆的轴向运动使其前端的钢珠径向运动来拉紧定位元件上的拉钉，把工件与定位元件固定在夹具模板上。

3 夹具的工作原理

如图3所示，加工时先把工件与定位元件通过压板锁在一起，再把定位元件放在夹具模板相应的定位孔上，此时打开电磁阀使压缩空气进入气缸，气缸带动气缸拉杆向下运动，使其前端的钢珠向中心轴的方向径向运动拉紧定位元件上的拉钉，把工件固定住。当加工完一个面后，另一个面的装夹方向通过夹具模板和定位元件上的定位销来确定加工工件的方向。一次装夹可一次性加工6个工件，当工件的待加工面距离夹具模板较大时，需要增大定位元件与夹具模板和定位元件的接触面积，以增加工件的稳固性。

图3 一次装夹多件的排位图

4 夹具的优越性

为提高生产效率，若只采用螺旋夹紧的方式直接把工件锁在工作台上，当加工完成后更换下一个需要加工的工件时，机床需停止工作较长时间，让操作员有足够的时间来进行下一次加工的装夹。而采用此装夹夹具，可使加工的辅助时间大大缩短，当机床在加工零件时，便可同时进行定位元件与工件的初步装夹，当加工完成后，只需通过推动电磁阀时气缸复位松开定位元件，即可快速更换需加工的工件。用此方法可大大缩减机床每次加工的间隔时间，且降低工人的劳动强度，一个操作员可同时操作4台机器，减少成本，提高生产效益。