飞铁座架钻孔夹具的设计

□ 储晓猛

1.江苏大学 基础工程训练中心 江苏镇江 2120132.江苏高创机电制造有限公司 江苏镇江 212013

1 设计背景

135系列柴油机属于中功率四冲程直喷水冷式高速柴油机,缸径为135 mm，其调速器部件如图1所示。135系列柴油机产品以良好的动力、经济性能,以及维护简单、使用方便、配件互换通用性好、价格低等诸多优点,广泛应用于船舶主机和辅机、发电机组、工程机械、载重汽车等领域[1]。

▲图1 135系列柴油机调速器部件

飞铁座架为135系列柴油机调速器转子部件上的一个零件,调速器转子部件如图2所示。通过4-φ7 mm孔的间隙配合,两个质量相等的飞铁由飞铁销安装在飞铁座架上。柴油机运转时,飞铁座架和转轴一起旋转,飞铁产生离心力。飞铁离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力用于移动油量调节机构,从而使柴油机能够随着外界负荷的变化而调节供油量,以保持与外界负荷相适应,进而使柴油机的转速在一定范围内保持稳定,以防出现飞车事故或熄火现象[2-3]。如果飞铁座架中4-φ7 mm孔尺寸精度不能保证,那么会造成飞铁与飞铁座架之间卡滞、松动等问题,将给整机的装配带来不良后果,从而影响柴油机尾气的排放及整机的运转工况水平。

▲图2 调速器转子部件

2 加工现状

飞铁座架结构尺寸如图3所示。为提高飞铁座架4-φ7 mm孔的加工精度,采用钻孔、扩孔、铰孔的工艺方案。零件加工精度要求高,生产数量较大,每月需生产10 000余件,加工效率成为急需解决的问题。原先采用钻模套夹具在普通立式钻床上进行加工,由于涉及钻孔、扩孔、铰孔三个工步,需要频繁更换刀具,自动化程度低,并且产品质量在很大程度上取决于工人的技术能力,造成产品质量不稳定,合格率低,工人劳动强度大,生产效率不高,有效切削时间平均只占全部工作时间的40%。针对原先加工方案的劣势,结合工序集中的优点,笔者设计了飞铁座架钻孔夹具,配合数控加工中心加工,可以解决存在的问题。

▲图3 飞铁座架结构尺寸

3 钻孔夹具结构

应用飞铁座架钻孔夹具,飞铁座架一次装夹固定,即可完成4-φ7 mm孔的加工。钻孔夹具在设计过程中,除要满足零件的加工要求外,还要考虑钻孔夹具本身的工艺性及结构的合理性。根据夹具设计的基本思路,先确定钻孔夹具的总体结构方案,再设计钻孔夹具中各个部件的结构[4]。所设计的飞铁座架钻孔夹具结构如图4所示,主要由底板、安装座、定位套、拉杆、校平块等部件组成。

4 部件分析

4.1 定位装置

经过对飞铁座架图纸及工序要求进行分析,定位基准A选择为φ40 mm外圆,定位基准B选择为φ48 mm外圆大端面，定位基准C选择为外侧面。定位时,钻孔夹具短定位套上开设的内孔与φ40 mm外圆配合,限制零件的两个自由度。短定位套上开设的端面与φ48 mm外圆大端面贴合,限制零件的三个自由度。校平块作为自位支承,属于浮动支承,其工作面形式为两点式,浮动方式为杠杆浮动,通过销轴安装在销轴座上。校平块在校正零件平面度的同时,限制零件的一个自由度。可见,一共限制零件的六个自由度,属于完全定位[5-6],满足定位要求。安装座上开设圆孔,作为对刀装置,便于后续数控加工中心编程时编程原点的找正。此外,还需要注意各定位元件的制造精度,以保证定位精度和可靠性。

▲图4 飞铁座架钻孔夹具结构

4.2 夹紧装置

螺旋夹紧机构指由螺旋副与其它元件相结合,对工件实施夹紧的机构。螺旋夹紧机构在生产中使用极为普遍,其结构简单,夹紧行程大,自锁性能好,增力比大,是手动夹紧中用得最多的一种夹紧机构,常用的夹紧形式有单个螺旋夹紧机构、螺旋杠杆压板夹紧机构。基于飞铁座架结构,综合分析后决定采用单个螺旋夹紧机构[7-8]。

夹紧装置主要由拉杆固定板、拉杆、锥面开口垫片、球形螺母组成。零件定位完成后,利用锥面开口垫片、拉杆及球形螺母,实现零件的固定。加工完毕后,松开球形螺母,取出锥面开口垫片,沿着拉杆轴线方向即可快速拆卸零件。

4.3 夹具体

夹具体由安装座、底板等组成,定位装置及压紧装置均固定安装在夹具体上。钻孔夹具装配时,需要注意夹具体自身精度及定位装置在夹具体上的相对位置精度。另外,夹具体在机床上的安装精度也是影响零件加工精度的重要因素,在钻孔夹具制造、安装及调试找正时需加以考虑。

5 力学计算

5.1 切削力

结合钻孔、扩孔、铰孔的工艺要求,切削力的大小主要取决于飞铁座架的材质及预钻孔时选择的切削用量。材料为铸钢,预钻孔孔径为6.5 mm。由于产品材料为塑性材质,钻头材料选取具有较高常温硬度、耐磨性好、耐高温、抗氧化能力强的YA6型硬质合金,切削性能优秀,适合对冷硬铸钢、高锰钢、淬火钢等材料进行半精加工和精加工。根据现有机床情况,结合刀具厂商推荐的切削参数,初定切削转速为800 r/min,进给速度为100 mm/mim,每齿进给量为0.125 mm/Z。

利用NOVEX软件进行切削力计算,将相关参数输入软件,计算得出的理论切削力为600 N左右,界面如图5所示。在此切削力的基础上乘以安全因数3[9],得到所需的安全夹紧力为1 800 N。

▲图5 切削力计算界面

5.2 夹紧力

由夹紧装置的结构可知,钻孔夹具采用单螺旋夹紧方式,通过螺母夹紧零件。查手册可知,M16×2六角螺母在扳手长度为190 mm、外施作用力为100 N的情况下,夹紧力可达5 230 N[10],即该单螺旋夹紧机构的夹紧力为5 230 N。5 230 N大于1 800 N,可见满足安全夹紧力要求。

6 应用效果

所设计的飞铁座架钻孔夹具符合六点定位原理,定位精度可靠,安装便捷,应用现场如图6所示。两年多的生产实践表明,这一钻孔夹具能够达到设计要求,极大提高了加工效率及产品质量,并降低了生产成本。

▲图6 飞铁座架钻孔夹具应用现场

7 结束语

笔者设计了飞铁座架钻孔夹具，这一钻孔夹具定位准确可靠,结构简单,安装便捷,能够充分保证加工质量,实现工序集中的加工方案,配合数控加工中心,极大降低了劳动强度,提高了生产效率和产品质量,发挥了数控加工的优势,同时为解决类似零件加工问题提供了参考。