LED灯罩壳体专用夹具的优化设计

温沪斌

（惠州市技师学院，广东 惠州 516003）

0 引 言

零件为典型的LED灯罩壳体，如图1所示，材质为铝合金，机械加工前的毛坯件由压铸成型，毛坯件如图2所示，零件结构简单，属于典型的薄壁铝合金件，材质较软。零件直接在数控车床上用三爪卡盘装夹易变形，实际加工中受切削力及切削热的影响产生振动和热变形，影响零件的最终加工尺寸精度。为提高生产效率，改进加工工艺，设计了一套专用夹具，经过反复调试，解决了零件装夹的难题，提高了工作效率，满足了实际加工的需求。

1 零件工艺分析

1.1 零件分析

图1 LED灯罩壳体

LED 灯罩壳体最终成品如图3 所示，形状简单，尺寸精度要求不高，一般公差采用IT12-14，但厚度约为2 mm，属于薄壁零件，外观面A 面粗糙度值为Ra0.8 μm，精加工前的毛坯件由压铸成型，待加工零件的表面加工余量约0.3 mm，铸件表面较粗糙，表面有毛刺和氧化。

图2 毛坯件（机械加工前）

图3 灯罩壳体成品（机械加工后）

（1）φ71 mm 灯罩外圆、φ100 mm 凸缘，φ66 mm灯泡卡位，φ68 mm内孔，凸缘两侧A、B端面，外圆端面C和0.4 mm×2 mm 弹簧卡扣槽等均由数控车床加工完成。由于生产批量大，结合铝型材零件加工特点，选用YG钨钴类刀具加工。

（2）外圆有2 处T 形槽由冲压成形，凸缘外端面A（除去两处倒角）需要喷砂氧化处理，A 面有2处倒角2.2 mm×0.15 mm 和4 mm×0.3 mm 需高光处理，此部分选用氧化铝陶瓷高光刀具加工。

1.2 零件加工顺序

零件加工顺序：车削外圆、凸缘、灯泡卡位、弹簧卡扣槽、凸缘两侧端面A、B、外圆端面C→凸缘左侧端面A（外观面）喷砂氧化→A 面两处倒角高光处理→冲压外圆上2个T形槽。

1.3 工艺难点分析

（1）零件装夹困难，直接用三爪卡盘装夹，薄壁铝件在夹紧力的作用下易变形。

（2）虽然零件尺寸精度要求不高，但是在加工中受到切削力和切削热的影响，零件易出现振动和热变形。

（3）零件外观面易变形，平面度超差严重，会对零件加工质量造成影响。

（4）为防止零件在加工中出现振动弹刀，加工时需降低进给速度，这会影响生产效率。

2 优化前方案

若采用三爪卡盘装夹，零件无法加工，根据常规薄壁件加工方法设计一套夹具，该夹具分成2副，如图4所示，其加工步骤如下。

（1）零件装在第1副夹具上，通过弹性筒夹夹紧毛坯凸缘约1.2 mm（凸缘厚度2.3 mm，留出1 mm 避空），φ71 mm 车削外圆、φ68 mm 内孔、凸缘右端面B、外圆端面C、0.4 mm×2 mm弹簧卡扣槽等加工。

（2）零件装在第2副夹具上，通过弹性胀套胀紧已加工好的φ68 mm内孔，车削凸缘左端面A。

（3）凸缘左端面A喷砂氧化处理。

（4）零件再次装在第2副夹具上，通过弹性胀套胀紧已加工好的φ68 mm 内孔，对两处倒角、φ66 mm灯泡卡位进行车削。

上述方案能完成灯罩壳体的车削，零件未发生变形，表面质量也能达到客户要求，但整个流程需要4 道工序，第2 副夹具还要装夹2 次，加工过程比较繁琐，生产效率达不到要求。

图4 优化前夹具结构

3 优化后方案

3.1 选择定位元件

根据需加工部位的特点，定位元件选用弹性胀套和定位套，弹性胀套在受力时发生均匀胀大，零件夹紧力度均匀稳定，即可消除5 个不确定度（X 和Y向移动不确定度，X、Y和Z向转动不确定度）；定位套则消除1 个不确定度（Z 向移动不确定度），累计消除6 个不确定度，如图5 所示。经上述分析，此夹具定位稳定可靠，满足6点定位法则。

图5 定位元件消除不确定度

3.2 夹紧方案与夹紧力分析

夹具动力源选用旋转式液压缸，液压缸活塞杆带动拉杆向左运动，拉杆作用于锥面使弹性胀套产生径向变形，将零件胀紧，具体夹紧力可通过调节液压缸活塞杆设置。

图6 所示为胀套的力学模型，其中F 是液压缸工作时所施加的拉力，α 是胀套锥角，N 是胀套外圆面与零件内孔接触时产生正压力，f是由上述正压力所产生的摩擦力，R 是N 和f 的合力，也称全反力，φ是R和N的夹角。

图6 胀套力学模型

为了分析胀套的受力状态，取图6 所示的模型进行分析（取外环），图6 中R 为胀套在液压缸活塞杆拉力F的作用下内外锥面上所产生的正压力N 和摩擦力f 的合力，其中N 和R 的夹角φ，即摩擦角φ=arctanμ，式中μ 为摩擦因数，钢材μ 取0.1～0.12。由受力平衡条件可得下式：

该夹具中摩擦因数μ 取0.12，得φ=6.84°，胀套锥角α=25°代入上述公式得：

则摩擦力f=N/cosφ×π×d×L=1.1×10-3F≥切削FC，式中L≈2.5 mm。

灯罩壳体是薄壁铝件，质量小，仅有0.3 mm 加工余量，故所受切削力也小，且零件凸缘可支撑定位，夹紧方式采用弹性胀大。参考同类型夹具设计经验值夹紧长度L取2.5 mm，经查参考文献，切削力FC=9.81CFC×αXFCp×fYFC×KFC，上 式 代 入 各 参 数 得1.1×10-3×F≥FC，得出F≥554.55 N，夹紧力分布如图7所示。

图7 夹紧力分布

4 夹具结构设计

考虑定位和夹紧的设计需求，该数控机床专用夹具由4 个零件组成：弹性胀套、定位套、拉杆、连接套。

4.1 弹性胀套

弹性胀套以φ66 mm×3.5 mm 外圆台阶与灯罩相应内孔配合定位，其左端车削M60 mm×2 mm 外螺纹与连接盘锁紧，中间有一个φ98 mm 凸缘加工4个M6 mm 螺纹孔用来连接定位套，凸缘右端面与定位套接触。为了便于胀套旋入连接盘中，凸缘外圆应加工工艺锥孔，凸缘右侧有φ68 mm 外圆与定位套对应内孔配合。在右端有25°内锥孔，同时为便于胀大变形，线切割4 个1.6 mm×35 mm 的槽，选用40Cr 钢作为其材料，为保证高弹性和疲劳强度，在加工零件最终尺寸后采用碳氮共渗＋调质处理，使表面硬度达52 HRC，弹性胀套如图8所示。

图8 弹性胀套

4.2 定位套

由于灯罩壳体外观面较大，如只依靠弹性胀套右端的小台阶面与灯罩大外观面A定位则会出现定位不稳，现采用定位套实现零件轴向定位。定位套以左端面与弹性胀套接触，以φ68 mm 内孔与弹性胀套配合。定位套左端φ98 mm 处在铣床上圆周分孔铣出4 个沉孔用来连接弹性胀套，为了调用左偏刀车削灯罩外观面A 时加工面积最大，专门在定位套右端车出φ71.5 mm×10.5 mm 避空位，如图9 所示。定位套材料选用45钢，为了满足所需的定位精度，加工零件最终尺寸后通过热处理使表面硬度达50 HRC。

4.3 拉 杆

拉杆属于标准配件，如图10 所示，其右端M16 mm 与液压缸的连接件螺纹连接，左端25°锥面拉紧弹性胀套内锥面以产生均匀胀大，锥面内设有六角孔便于拉杆拧进与液压缸进行连接。

图9 定位套

图10 拉杆

4.4 连接盘

弹性胀套与机床主轴的配合必须同轴并可靠连接，通过上述分析可知，灯罩壳体尺寸精度不高，可直接采用连接盘与车床三爪卡盘连接。连接盘左端车出一个台阶面与卡盘端面轴向定位，以连接盘上φ62H7 mm 孔与弹性胀套左端φ62h6 mm 定位圆柱配合，将连接盘上的M60 mm×2 mm 螺纹旋紧，使弹性胀套φ98 mm 凸缘的左端面与连接盘右端面接触，此安装方式定位准确，刚性好，如图11所示。

5 夹具定位误差估算

零件的φ71 mm外圆、φ100 mm凸缘、φ68 mm内孔、凸缘左端面（外观面）A、凸缘右端面B、外圆右端面C都是在一次装夹中车削完成，其尺寸精度、形位公差取决于刀具质量和机床精度，与夹具定位无关，只有调头车内孔φ66 mm 时的同轴度公差0.1 mm才依靠夹具保证。

选用定心夹紧机构，灯罩壳体的定位基准、工序基准是所加工面的轴线，定位基准与工序基准一致，则基准不重合误差[ΔB]=0。弹性胀套是定位、夹紧元件，无论各元件位于何位置，其轴线位置不变，故定位基准不改变，即基准位移误差[ΔW]=0。因此灯罩壳体的定位误差[ΔD]=[ΔB]+[ΔW]=0＜0.13 mm，所以优化后的2套夹具都可以保证大批量加工时的精度要求。

6 优化后夹具优点

优化后夹具如图12所示，其优点如下。

（1）夹具放弃螺纹锁紧方式，采用液压缸活塞杆锁紧，具有结构紧凑、锁紧效果好等优点，不仅能快速装夹大批量薄壁铝件，而且克服因机械锁紧导致螺纹失效的缺陷。

（2）夹具将改进前的车削外圆、端面、内孔和抛光外观面A 的2 个工序整合为一体，改进了工艺，提升了加工效率。

（3）弹性胀套装夹零件部分仅2.5 mm，利用凸缘辅助支撑，经试验验证使用该夹具加工稳定、废品率低，既缩短零件装夹长度，同时尽可能增加一道工序的加工量。

（4）定位套右端定位零件的位置车削2 个台阶φ75 mm×18.5 mm 和φ71.5 mm×10.5 mm，既充分考虑左偏刀运行时的避空位，又增加一次装夹加工中加工外观面A的面积。

7 结束语

通过将LED 灯罩壳体车削外圆、端面、内孔和光外观面的2个工序整合为一体，改进加工工艺，优化夹具结构设计，提升了加工效率，并对优化后的夹具进行定位分析、受力分析、误差分析、结构设计等。实践证明，使用优化后的专用夹具加工效率约为优化前的1.5 倍，夹具结构合理、夹紧迅速、操作简便、运行可靠、废品率低，实现LED 灯罩壳体的高效率便捷化加工。