叶片泵转子叶片槽的分度铣床夹具设计
2017-7-7 来源：北京工商大学材料与机械工程学院 作者：刘玉德，侯亚茹，吴 刚，张 浩，王 硕
摘要：设计用于卧式铣床加工的叶片泵转子叶片槽的分度铣床夹具，铣刀每次加工一个槽，通过分度装置使工件转动一定角度到达加工位置，依次完成其它槽的加工。
关键字：叶片泵；分度；铣床；夹具
0.引言
夹具最早出现在 18 世纪后期， 随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。 夹具可快速、方便地将工件安装到指定位置，大幅提高了产品精度，使工艺更加便捷
，使用相当广泛。 按用途分，可将夹具分为焊接夹具、机床夹具、装配夹具、检验夹具等。
1.零件图分析
被加工的零件如图 1 所示， 零件的毛坯为 40Cr，金属模铸造，技术要求与尺寸精度都不高，生产批量为 2 000 件，其加工工序为：车外圆，保证 Φ50mm 外圆→车端面，保证 24mm 的长度→中心钻孔、扩孔、铰孔至尺寸要求→铣槽。 其中，铣槽的过程需要用到分度装置，铣刀每加工一个槽，通过分度装置使工件转动一定角度到达加工位置，以便完成其它槽的加工。
图 1 工件零件图
2.夹具设计
保证工件加工质量是机床夹具设计的基本要求，也是夹具设计的首要任务。 为此，必须正确地设计与选择定位方法、定位件及夹紧装置。 在设计之前，要认真了解工件的作用、特点、材料、生产规模及技术要求， 详细分析加工工艺过程及本工序的加工要求，如加工余量、加工精度、加工表面、定位基准以及前后工序的联系等。 本文夹具的设计主要分成以下几个方面：定位方案、夹紧方案、分度装置、夹具体和连接元件的设计。
2.1 定位方案
工件定位是指在工件加工之前，将工件放在相对于机床、刀具一个比较准确的加工位置。 工件的定位，实质上是对空间自由度的限制，根据工件自由度被约束的情况，工件定位方式有完全定位、不完全定位、欠定位、过定位 4 种。本设计因加工的需要，在铣槽的过程中零件不能发生任何移动，6 个自由度都要进行约束，故选用完全定位。 定位方法为花键孔和主轴端面定位，图 2 为定位主轴设计图。
图2 定位主轴图
空间 6 个自由度的限制，虽然解决了工件在加工过程中“定与不定”等问题，但每个工件在加工过程中所占据的位置并不一致，这就涉及到“准与不准”的问题。 工件在夹具中所占据的位置不准确，加工的工件尺寸必然不一致，就会形成误差，称之为定位误差，用ΔD 表示。 生产中为了保证加工精度，一般要求定位误差不超过工件加工公差 T 的 1/5～1/3。 定位误差包括基准位移误差和基准不重合误差，当无基准位移误差时，ΔY=0；当定位基准与工序基准重合时，ΔB=0；若两项误差均没有， 则 ΔD=0。 分析和计算定位误差的目的，是为了验证定位方案能否保证定位要求，以便对不同方案进行比较，从而选出最合理的方案。从零件设计要求可知， 工件和轴的配合尺寸为φ18H7/g6， 查阅国标轴、 孔的基本偏差表有：ΔB=0；ΔY=ES-ei=0.021-(-0.017)=0.038mm；ΔD=0.038mm。按照 GB/T 1804—2000 《未注公差的线性和角度尺寸公差》要求，指明工件加工公差等级为中等 m，则T =0.1 -(-0.1) =0.2mm。 而 ΔD =0.038mm ≤(1/5 ～1/3)T =0.04～0.067mm，定位方案合格。
2.2 夹紧方案的设计
在夹紧过程中，工件应能保持在既定位置，即在夹紧力作用下工件不应离开定位支承；夹紧力的大小要适当、可靠。 既要使工件在加工过程中不产生移动和振动，又不使工件产生不允许的变形和损伤，夹紧装置的自动化程度和复杂程度应与工件的产量和批量相适应。夹紧装置主要由动力装置、中间递力机构、夹紧元件组成。 常用的夹紧装置有楔块、螺旋、偏心轮等，楔块夹紧可改变夹紧力方向，但使用效率低，多用于机动夹紧装置中；螺旋夹紧结构简单、自锁性好、夹紧可靠、紧行程不受限制，远比楔块夹紧力大，其通用性大，但效率低，多用于手动夹紧装置中；偏心夹紧机构产生的夹紧力较小，自锁性能不好，一般用于切削力不大且无振动的场合，对夹紧尺寸要求严格。 可见各夹紧装置都有各自的优缺点，应结合设计要求选择合理的夹紧装置。 综合以上特点，本设计选用螺旋夹紧装置。花键主轴上的螺杆、开口垫圈和夹紧螺母为主要的夹紧元件。 当旋紧夹紧螺母时，通过开口垫圈将工件夹紧在花键主轴上。 查阅资料，旋紧螺母时使用扳手的六角螺母：当螺纹直径=10mm，螺距=1.5mm，手柄长度=120mm，作用力=45N 时，夹紧力=3550N。为了保证装夹的稳固和加工时的刚性，需要在夹具后部设置支承机构，将安装工件的螺杆顶住，如图 3所示。 支撑机构中除顶尖外，还有尾架、端盖、螺杆、锁紧旋钮、手轮、手柄等。 通过手轮、手柄使螺杆旋转，推动顶尖向左移动， 从而将花键主轴上的螺杆部分顶住，再拧紧锁紧旋钮，防止顶尖松动。 尾架和端盖在这个机构中起支撑作用。
2.3 分度装置的设计
分度装置是能够实现角向或直线均分的装置。 工件被夹紧，完成一个工位的加工后，夹具不松开，工件通过移动一段距离或者转动一个角度，达到下个加工工位，从而完成整个工件的加工。 由零件的设计要求可知，槽的分度精度要求并不高，因此采用圆柱销定位分度结构，该结构简单、易制造。 操纵机构选用手拉式，如图 4 所示。 通过转动手柄，根据手柄转动的圈数来确定加工的工件旋转角度。 旋转一定角度后，将定位销通过手柄上的孔插入到分度盘上的槽中，实现分度的锁紧。
分度的传动机构是通过蜗轮蜗杆传动来实现的，其特点是传动平稳、啮合冲击小，能获得较大的传动比，且结构紧凑。 蜗杆是齿数 z1=1 的单头蜗杆，蜗轮的齿数 z2=30，即蜗杆转动一圈，蜗轮转动 1/30 圈。 应工件加工要求，每加工一个槽工件转动 30°，即蜗轮转动1/12 圈。 由此可计算出蜗杆所需转动的圈数为 2.5 圈，即转动分度手柄时，每次转动两圈半即可。 蜗轮蜗杆传动机构及分度盘如图 5、图 6 所示。
（1）定位键。 铣床夹具以定位键和机床工作台 T型槽配合，每个夹具一般设置两个定位键，起夹具在机床上的定向作用，并用埋头螺钉把定位键固定在夹具体的键槽中。 材料选用 45 钢。（2）带 U 型槽的耳座。 在铣床夹具纵向两端底边上，设计带 U 型槽的耳座，机床上有对应的螺孔，螺栓穿过 T 型槽与机床上的螺孔，将夹具体紧固在工作台上。 材料选用 HT300。
2.5 夹具体的设计
夹具体一般是夹具上最大最复杂的基础元件，其形状和尺寸主要取决于组成该夹具的各种元件、机构和装置。 同时，在进行夹具设计时，还应考虑到因夹紧力、切削力而产生的冲击和振动，保证夹的强度和刚度需求。 另外，在铣槽的过程中，会有一些碎屑掉到夹具体里面， 时间长了会损害传动机构或其它零件，为保证夹具正常工作，应考虑到排屑的方便性，且夹具应该便于装卸。本夹具体采用铸造结构， 铸造的生产周期长，且因铸造时的内应力缘故，易引起变形，从而影响夹具体精度的持久性。 为此，铸造夹具体必须进行时效处理，而与焊接结构相比，铸造可以铸出形状复杂的结构， 故本夹具体采用铸造结构比较合适。 材料选用HT200，壁厚 4mm。3 结语本文分析了被加工工件的特点、作用、材料、生产规模及技术要求，并通过相关计算设计了一套专用的带分度装置的铣床夹具。实际上，在生产中，零件的状是千差万别的，没有任何一种夹具能适用于所有的零件，合理、灵活的设计并使用夹具能够降低生产成本，提高工作效率，降低废品率。
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