炮弹引爆体上斜槽加工夹具的设计与制造

杜新宇，杨 芳

（1.南阳理工学院机械与汽车工程学院，河南 南阳 473004；2.南阳市红宇工模具制造有限公司，河南 南阳 473000）

1 引言

引信体是炮弹引爆装置中点火爆炸最重要的零件之一。该零件体积小，精度要求高，结构复杂，如图1所示。零件中一个宽3.4、深8.5mm、46°倾角的斜槽，最初安排在数控加工中心进行分步加工，每次都需要转位 46°，转位所需时间（4～7）s，再加上（6～9）s的退刀、换刀时间，辅助时间较长。为提高生产效率，拟将引信体上斜槽的加工分序进行，图1中斜槽阴影部分的上半部是宽3.4mm、深4.6mm的直槽，先在加工中心铣削完成；斜槽阴影部分的加工安排在数控立式铣床上，用直径φ3.4mm的立式铣刀在直槽的基础上，对斜槽下部的阴影部分进行铣削，斜槽部位加工倾角46°、铣削宽度2.805mm、铣削深度5.614mm、厚度3.4mm。由于年产量为5万件，为保证产品质量，提高生产效率，设计数控立式铣床专用夹具。

图1 引信体铣削工序简图Fig.1 Sketch of Fuze Body Milling Process

2 夹具的结构设计

2.1 定位基准的选择

为满足本工序加工要求，须限制5个自由度，刀具上下方向的微位移不影响加工精度，因此x→可以不限制。选择基准平面A、φ8中心孔内表面和槽8.1两侧平行平面B、C为定位面，如图1所示。工序基准A面的定位元件为圆柱端面1，限制A→、（B、（C三个自由度；中心孔φ8的定位元件是短圆柱定位销2，限制x→、z→二个自由度；两平行平面B、C的定位元件是限位斜块3，限制（y，z→二个自由度，可以看出z→被重复限制，属于过定位，如图2所示。

图2 引信体零件的定位Fig.2 Location of Fuze Body Parts

工序基准是中心孔φ8的轴线，同时也是定位基准。φ8内孔以短圆柱定位销2定位后，在B、C两平行平面的作用下限制了工件转动，此种定位方式属一面两销定位，两平行平面相当于菱形销。另外，在孔φ4.8mm处设置直径为φ4.5mm的削边销4，防止工件安装时上、下面放反。

在实际生产中，过定位是允许的，但要在工艺上保证不发生干涉和变形，确保定位准确。具体措施如下：（1）在加工零件中心孔时，将公差缩小为，且短圆柱定位销与工件内孔之间的配合为保证最小间隙0.03mm；（2）零件的φ8中心孔及槽的B、C两面，均在加工中心完成，保证其垂直度误差控制在0.015mm范围内；（3）在夹具加工时，控制短圆柱定位销2的外圆与底面的垂直度误差在0.01mm范围内。被加工零件的内孔与端面的垂直度误差（0.015mm），加上夹具的短圆柱定位销与底面的垂直度误差（0.01mm）之和是0.025mm，小于短圆柱定位销与被加工零件内孔之间的配合间隙0.03mm，零件安装时，被加工零件φ8内孔与夹具短圆柱定位销之间不会产生挤压、别劲等现象[1]，有效地保证了加工精度。

2.2 定位误差的分析

加工零件上8.1H11的斜槽时，其46°夹角按未注公差等级10级选取[2]，即零件夹角的加工误差由角度短边长度决定，槽体倾斜角度为 46°±20′。

定位误差由基准不重合误差ΔB和基准位移误差Δy组成，即ΔD=ΔB+ΔY。该工序的工序基准是基准面A和φ8孔中心轴线，夹具定位基准是基准面A和短圆柱定位销的φ8孔中心轴线，工序基准和定位基准重合，所以基准不重合误差ΔB=0。

基准位移误差ΔY取决于定位基准与限位基准不重合时造成的加工尺寸的变动范围。该夹具的定位基准是φ8短圆柱定位销的中心轴线，限位基准是夹具凸台宽8.1的两平行平面的中心轴线，所以存在基准位移误差，即ΔY≠0。该误差为角位移误差，如图3所示。由误差分析简图知，定位基准可以沿两个方向转动，其角位移的值为：

图3 定位误差分析简图Fig.3 Sketch of Location Error Analysis

该工序定位基准的变动范围δia由式（1）代入数值得δia=0.005rad，换算成角度 δia=0.2866°。

式中：δD—零件加工公差，δD=0.02mm；

δd—定位件加工公差，δd=0.01mm；

Xmin—零件与定位件之间最小间隙，Xmin=0.03mm；

R—斜槽中心与定位销中心的距离，R=6mm。

基准位移误差是由于定位副的制造误差而引起定位基准在加工尺寸方向上的最大位置变动范围，此时它等于定位基准的变动范围在加工尺寸方向的投影。

式中：ΔY—基准位移误差；δia—该工序定位基准的变动范围；α—该工序限位基准的变动方向与加工尺寸方向的夹角，α=46°。代入数值，得：ΔD=ΔY=0.1991°=11′57″

该定位误差小于零件角度的加工误差40′的三分之一即13′20″[3]，所以该定位方法满足零件加工精度要求。

2.3 夹紧方式的确定

通过对铣削力和夹紧力的计算，夹紧力不大。另外，由于该工序铣削面积小，铣削后铣削部位悬空，为防止工件变形，宜采用较小的夹紧力，因此采用手动压紧。夹紧装置由支撑螺钉1、平压板2、带柄螺母3、和支撑螺杆6等组成，如图4所示。工件5安装在短圆柱定位销4等定位元件上后，将杠杆式平压板2压在工件5的前端面上，手动锁紧带柄螺母3即实现了对工件的夹紧。

图4 杠杆压板手动夹紧Fig.4 A Lever Plate that is Clamped Manually

2.3 .1铣削力的计算

引信体材料为7A04超硬铝，刀具选用φ3.4mm高速钢立铣刀，铣削8.1H11斜槽中深度5.614mm，宽度2.805mm的部分时，铣削力 P 由式（3）确定[4]：

式中：CP—考虑工件材料及铣刀类型的系数，取CP=17；af—每齿进给量，af=0.00783mm/z；D—铣刀直径，D=3.4 mm；aw—铣削宽度，aw=2.805 mm；z—铣刀齿数，z=4；ap—铣削深度。

其中：ap=VF/n·z （4）

式中：VF—进给速度，VF=72mm/min；

n—铣刀转速 r/min，n=2300r/min。

代入式（4）得：ap=5.614mm；KP—工件材料力学性能修正系数。

式中：σb—抗拉强度，取σb=530MPa

代入式（5）得KP=4.7794

将上述数值代入式（2），切削力P=426.59N。

2.3.2 压板夹紧力的确定

因为杠杆压板抵消切削力，零件铣削方向为46°倾角时，铣削面积接近一半，因此切削力为：

杠杆压板夹紧时在铣削部位所产生的作用力由式（6）确定[5]：

式中：Q—铣削时所需铣削力，Q=P1=296.33N；k2—系数；η—各种摩擦系数，取η=0.85。

支承螺钉到压紧螺母的距离为L=30mm，零件压紧点到压紧螺母的距离 L1=38mm，L1/L=1.27，查表[5]得：k2=0.93。

将 Q、k2代入式（6）得：F=275.59N。

采用的杠杆压板用带柄螺母旋紧，作用于螺母上的力设为W，由杠杆定理得：W=671.68N。

2.3.3 手柄作用力的确定

人工扳动手柄的作用力直接作用在螺母上，选择螺纹中经D=8mm，螺距P=1.25mm，扳手长L=50mm时，若加在扳手上的力为50N时，则带柄螺母产生的夹紧力Q=1300N，实际夹紧力需要为=671.68N时就能夹紧工件，所以手动作用在带柄螺母上的力为21.53N，操作人员的劳动强度不大。

3 夹具主要部件的设计与制造

该夹具采用过定位形式，具体结构，如图5所示。该夹具由夹具体、夹紧装置、定位装置、对刀块、定位块等部分组成。

3.1 夹具体

夹具体5材料采用45钢，在高精度四轴加工中心上加工，保证各部位的相对位置精度，调质热处理，平面磨削夹具体基准面。其外形尺寸为（260×60×80），总重 4.2kg。

夹具体加工尺寸稳定，具有较好的综合机械性能，在使用和存放过程中不易变形，能长期保持夹具的使用精度。

图5 引信体铣削夹具整体结构Fig.5 Overall Structure of a Fuze Milling Fixture

3.2 对刀块

为保证刀具与工件的准确相对位置，设计了侧装对刀装置4，使用1.5mm的平塞尺检测刀具与工件的相对位置[6]，对刀块结构，如图6所示。

图6 侧装对刀块Fig.6 Tool Block for Side Mounting

3.3 定位装置

为保证夹具在机床上的定位精度，采用了两个定位块将夹具体与机床工作台T型槽连接[7]，保证了夹具在机床上能正确定位。定位块采用工具钢制作，淬火硬度HRC63。

大部分零件表面经发兰处理。

3.4 夹具的使用效果

该夹具正式投入生产使用后，对被加工零件进行抽样检验和分析[8]，测得工艺能力指数超过1.33，完全符合大批量生产的加工工序能力要求。

加工中铁屑自然掉落时，因夹具排屑空间大，不产生积屑现象。每次加工结束，使用压缩空气吹屑，毛刷清理，不影响零件换装时的装夹和定位。

4 结论

为提高生产效率，对引信体斜槽加工进行了工序分步，通过对引信体零件结构工艺性的分析，设计了数控铣床上加工引信体零件斜槽的专用夹具，制造并投入生产应用。（1）定位方式虽属过定位，但通过提高零件与定位件的尺寸精度和位置精度后，工件和定位销在夹紧力的作用下不产生挤压变形，保证了工件的定位精度和加工精度。（2）相比原加工工艺及夹具，每个工件机械加工时间节约（10～16）s，大大提高了生产效率。（3）通过更换不同尺寸的定位元件，可加工相同类型、尺寸变化不大的引信体零件，提高了夹具的通用性。