薄壁套筒零件外表面铣削夹具设计

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)

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。

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。

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]。

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

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。