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薄壁套筒零件外表面铣削夹具设计

2022-08-16康凯陈玉娇闫心杰

柴油机设计与制造 2022年2期
关键词:装夹薄壁套筒

康凯,陈玉娇,闫心杰

(1.河北建筑工程学院 机械工程学院,河北 张家口 075132;2.张家口建筑工程集团有限公司,河北 张家口 075000;3.张家口市水母宫景区管理处,河北 张家口 075041)

0 前言

在机械制造领域,不同类型的套筒在其加工过程中的要求不同,如:薄壁套筒应减小装夹变形,在加工时应选择合适的装夹方式;长套筒应保证圆度和圆柱度,在加工时应选择合理的定位方式。

周慧英等[1]提出将夹角为90°的V型块作为定位元件,通过V型块的相向运动实现工件夹紧,该夹具具有自动定心作用,方便找正。梁峰[2]采用气动夹具带动3个定位轴在套筒内孔进行伸缩运动,当定位轴朝向套筒内孔表面伸展贴合时,可实现自动定心;当定位轴进行收缩运动时,便于工件拆卸。万雨娴等[3]采用轴向压紧的方式装夹工件,有效提高了装夹效率,减小了工件变形。姜燕等[4]利用聚氨酯橡胶轴套在受压变形后产生的径向位移压紧工件,既保证了工件表面质量,又减小了变形。以上学者对夹具的设计原理、设计思路、制作过程等进行了充分研究,但是当工件的尺寸发生变化时,所设计的夹具即失去了定位、装夹作用,导致夹具的加工范围较小、适应性较差。

为解决薄壁零件在加工过程中的变形问题,本文设计了一种薄壁套筒零件外表面铣削加工的内撑夹具。该夹具采用内部胀紧的方式实现快速定位,通过轴向压紧可有效减小工件变形;通过更换胀紧瓦型号、增加副胀紧装置,可扩大加工范围,增加夹具的适用性。

1 工作原理与使用方法

在使用过程中,夹具应便于定位及夹紧,尽量缩短安装工件和对刀时间。在设计时,采用六点定位原理,其整体结构如图1所示。该夹具定位元件由主胀紧装置1和副胀紧装置6组成,二者限制了零件除绕自身轴线转动之外的所有自由度[5]。通过转动调整手轮3可将定位元件的胀紧瓦沿径向胀开,实现快速定位。其压紧装置由压紧盘7、支撑座8、锁紧手柄9组成,通过转动锁紧手柄9带动压紧盘7作直线移动,将工件轴向压紧。通过增加副胀紧装置6的个数,可以有效扩大长度加工范围;通过调整胀紧瓦型号可满足不同工件的尺寸要求,扩大径向加工范围。

图1 夹具体结构

使用该夹具时,首先将底座2安装固定在机床工作台上;然后将调整手轮3安装在底座2的座孔中,将主胀紧装置1安装在调整手轮3的转轴端部,并将连接轴5与副胀紧装置6和主胀紧装置1相固联;最后,将支撑座8安装在机床工作台上,通过支撑座8在工作台上滑动,便于拆卸工件。

2 定位误差分析与加工工艺

定位误差由基准位移误差和基准不重合误差组成[6],在设计时应尽量减小定位误差。以加工某批次薄壁套筒为例,其零件如图2所示。该零件以套筒轴线为设计基准,采用所提夹具进行定位时,其定位基准与设计基准重合。由于套筒内孔和胀紧瓦外表面贴合,即基准位移为0。综合这2方面因素,可以确定本夹具适用于该批次零件的加工[7]。

图2 薄壁套筒零件

在加工过程中,首先采用型号为CAK3665di的数控车床按照粗车—半精车—精车的工艺路线完成套筒的车削加工;然后采用型号为XHA714的三轴加工中心按照粗铣—半精铣—精铣的工艺路线将工件铣削至设计要求[8]。

3 切削力计算与有限元分析

在切削过程中产生的切削抗力,容易导致工件出现松动、移位和倾斜等现象,轻则出现“打刀”和工件报废,重则发生安全事故。因此,在设计夹具时需要保证足够的夹紧力。在加工该批次零件时,选用的刀具类型为4个刀齿、直径为10 mm的高速钢立铣刀。加工参数设置如下:粗加工时,转速为500 r/min,进给量为0.3 mm/r,切削深度为1 mm;精加工时,转速为1 000 r/min,进给量为0.1 mm/r,切削深度为0.15 mm。根据铣削切削力公式[9],可求得粗加工与精加工的切削力分别为396.67 N和124.7 N。

采用CATIA软件对该夹具进行几何建模,利用该软件的装配模块模拟夹具体。由于胀紧装置在工作时需要与套筒内孔表面贴合,为了保护已加工表面,选择6061铝合金作为主胀紧装置材料,其抗拉强度为205 MPa,屈服强度为55.2 MPa。在有限元分析模块中,首先对主胀紧装置进行网格划分,经处理后共生成61 054个节点和259 377个元素;然后对主胀紧装置施加约束,将其转轴和支撑箱体设置为固定约束[10-11];接着加载夹具,其应力与应变分布如图3和图4所示。可以看出,该夹具的最大应力为1.59×106N/m2,最大变形量为2.45×10-5mm,最大应力和最大变形均出现在胀紧瓦轴向定位面的边缘上。结果表明,主胀紧装置满足强度条件,符合设计要求。

图3 夹具体应力图

图4 夹具体应变图

4 结语

针对薄壁套筒零件在二次装夹中产生的变形问题,提出了一种适用于铣削加工的内撑夹具,并对该夹具进行了理论计算和有限元分析。结果表明,该夹具的最大应力为1.59×106N/m2,最大变形量为2.45×10-5mm,最大应力和最大变形均出现在胀紧瓦轴向定位面的边缘上。因此,该夹具的设计满足要求,适用于薄壁套筒零件的加工,在实践应用中具有一定参考价值。

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