摩托车曲轴箱油道孔钻铰加工专用夹具设计*

赵 勇，罗 静，龚文均，肖铁忠，詹 捷

(重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

0 引言

曲轴箱是一个结构复杂的薄壁腔体件，加工要求高，加工批量大，需采用高效专用设备、通用设备和专用夹具加工［1］。曲轴箱周边布有多个油道孔，加工部位多，大批量生产加工中，设计专用夹具能极大地提高生产效率、降低生产成本，本夹具即是针对某摩托车曲轴箱侧面多孔一次装夹完成钻铰加工而设计的。

1 专用夹具的设计

1.1 曲轴箱的工艺分析

曲轴箱工艺分析如图1 所示。曲轴箱油道孔与油道堵孔形成阶梯孔，加工工艺采用钻铰形式，先钻孔加工到油孔贯通，然后用铰刀精加工油道堵孔，工件需要保证油道孔最终的尺寸。为了保证各油道孔的孔径及孔位精度，工件采取一次装夹、多孔同时加工，孔深用刀具的长度来保证，孔径用刀具尺寸来保证，孔位用主轴箱体孔位来保证［2-3］。

图1 曲轴箱工艺分析图

1.2 夹具的定位与夹紧方案

分析曲轴箱的结构，夹具的定位与夹紧方案如图2 所示。根据工件的结构特点及工件已加工的表面和孔，定位方式采用一面两销。选择曲轴箱与曲轴箱盖的已加工箱盖连接面(平面A)作为定位面，定位面上两个已加工直径为8mm 的箱盖定位销孔作为定位孔，由于定位孔径较小，为了保证加工部位的准确定位，采用浮动定位销定位，两个定位销孔中心距足够大，对曲轴箱油道孔加工质量有足够的保证［4-5］。

在确定了工件的定位方式后，需要全面的考虑装夹方式以及夹紧方案。由于曲轴箱是薄壁腔体件，箱内有加强筋和隔板，其刚性较高，而工件批量大，宜采用气动夹紧方式。夹紧力的作用点选择在对工件变形影响小、刚性好且尽量靠近被加工表面的地方，因此夹紧部位选择在曲轴箱轴承孔的凸台上［6］。

图2 曲轴箱定位夹紧图

1.3 夹具的结构及工作原理

专用夹具结构如图3 所示，它主要由夹具体、滑动立柱(多个组件构成)、夹具底板、气缸、钻模组件、支撑杆件、定位夹紧装置等组成。夹具体1 连接着三个相同的滑动立柱，气缸13 带动浮动定位轴18 上下移动，夹具底板与浮动定位轴由配合的锥面、球面垫圈连接，夹具底板上两个支撑垫3 及浮动定位套8 对曲轴箱进行支撑定位，浮动定位套里安装浮动定位销7，浮动定位销对工件进行孔定位。气缸11 带动支撑杆5上下移动，支撑杆带动锁紧马崽4 旋转压紧、松开工件。

图3 机床夹具结构图

夹具的工作原理是夹具和工件安装在工作台上，按预定的工作循环，作间歇的上下移动，依次在钻、铰工位上，对工件进行加工。夹具的具体操作如下:工件按既定定位方式安装后，气缸11 带动活动支撑杆向下移动，锁紧马崽向下压紧工件;进行钻削加工，钻削加工完成后，退出刀具，气缸13 带动夹具与工件向上移动60cm，然后对工件进行铰削加工;加工结束后，气缸带动活动支撑杆向上，锁紧马崽向上旋转松开工件，然后进入下一个工作循环。

1.4 夹具的结构特点

工件在机床上是双工位加工，工位之间的转换可以依靠夹具来实现。工位转换原理如下:利用夹具的上下移动来改变工位，实现机床对工件的钻、铰加工。工件被安装夹紧后，对工件进行钻孔，钻孔完成后刀具退出，然后在举升气缸作用力下，浮动定位轴推动夹具及工件向上升60 ㎝，然后对工件进行铰削加工。

夹具行程通常通过控制气缸行程来实现，本夹具通过控制滑动立柱的行程来控制。因为气缸要精确定位依存自身难度很大，通常会考虑外部机械与电控的结合，而滑动立柱来控制夹具行程相对来说就简单很多，只需在滑动立柱行程的极限位置设计机械限位结构。在夹具的机械定位中，机械定位组件之间会有碰撞，碰撞会加快夹具的破坏与减小夹具的使用寿命，所以很有必要在滑动立柱的行程极限设置一个缓冲装置(如图3b 和图3c)。本夹具中举升气缸的行程比夹具底板的升降行程略大，这样就避免或减轻了活塞对缸盖的撞击，从而气缸不需要专门的缓冲装置。夹具底板向上到接近行程极限时，利用缓冲柱塞将气孔堵死，定位销夹具体与定位套形成密闭空间，里面的气体被压缩，经由节流阀缓慢流出，被压缩的气体起到缓冲作用。同理夹具底板向下运动接近行程末端时，限位垫圈与浮动定位轴之间形成了一个密闭空间，空间里的气体继续被压缩，经由节流阀缓慢流出，被压缩的气体就起到缓冲作用，从而形成了一个有效、简易的缓冲装置，起到缓冲作用。

夹具要保证加工的精度，必须要保证夹具工位之间的行程精度。为了保证工位行程，选择举升气缸的行程比夹具工位行程大了2mm，这样让夹具工位行程的精度控制增加了难度。为了使气缸行程与夹具工位行程保持一致，在这里设计了一个简易的行程补偿装置，夹具底板和气缸加长杆之间用两对配合的锥面、球面垫圈连接，球面垫圈与锥面垫圈的配合使用有自动调位的作用，使螺母支承面与气缸杆垂直，消除气缸杆受的弯曲力，从而起到补偿作用，形成了一个补偿装置(如图3a)。通过以上这些实用、巧妙的设计，提高了夹具的定位精度，满足了零件的加工要求。

2 气动系统的设计

气动夹具是一种先进的快速夹具，具有夹紧动作迅速、夹紧力稳定、操作方便，在加工中采用气动夹具能充分发挥设备潜力，减轻劳动强度，提高生产效率。气动系统是气动夹具的核心，气动控制系统原理图如图4 所示，气动系统包括以下4 个部分:气压发生装置、控制元件、执行元件及辅助元件。系统中采用手拉式换向阀控制气缸动作，操作灵活、快捷、可靠［7］。

图4 气动原理图

3 夹紧力的计算

夹紧力的计算是一个很复杂的问题，通常只能估算。夹紧力的大小主要影响工件定位的可靠性、工件的夹紧变形以及夹紧装置的结构尺寸和复杂性，因此夹紧力的大小应当适中。从夹具结构图可以看出，专用机床同时有四个主轴箱对工件加工，工件主要受到四个不同方向的轴向力，这四个轴向力产生扭矩由夹具浮动定位销予以平衡，合力由工件与夹具底板产生的摩擦力来平衡，然后通过力矩平衡与力平衡来估算出夹紧力［8］。

3.1 轴向力的计算

工件材料为铸铝合金，采用高速钢钻头，采用专业数控机床钻、铰加工，钻削加工余量大，钻削时轴向力较大，所以在计算轴向力以钻削时为准［8］。根据《机械加工工艺师手册》，钻孔的切削速度的计算公式为:

式中:d—— 孔径，mm;d1——d4分别为:4.8mm，3mm，5.8mm，6.8mm;f—— 进 给 量，mm/r，f2=0.04mm/r，f1=f3=f4=0.08mm/r

查得公式中的系数及指数，根据实际加工工艺，选择切削参数，代入公式算出四个切削速度:

根据《机械加工工艺师手册》，钻孔时的轴向力计算公式为: F=CFdzFfyFvnFkF

查得式中的系数及指数，代入公式计算出各孔加工的轴向力分别为:

求出四个轴向力的合力F=45.2N［9］。

3.2 夹紧力的计算

如图5a 所示，工件受四个不同方向的轴向力，根据力平衡、力矩平衡原则，要平衡四个力及四力的合力矩，摩擦力要大于四个轴向力的合力F，即摩擦扭矩大于轴向力矩。

图5 工件受力图

根据工件的受力与力矩平衡来估算夹紧力。本夹具采用锁紧马崽夹紧工件，工件在夹紧力W、轴向力F、摩擦力f 及夹具给予的支撑力N 的作用下受力平衡(如图5b)所示，重力忽略不计)，合力矩M 平衡。必须满足如下条件:

而f =μN，μ 这里取值0.2，将各参数代入公式，解得: W ＞226N

计算夹紧力时，考虑到钻削过程的复杂性和夹具使用的安全性，需将理论夹紧力乘以安全系数K，这里安全系数取2，根据夹紧方案，算得夹紧力为:

在这里我们取夹紧力为480N，满足了夹紧加工要求［10］。

4 结束语

本夹具采用气动夹紧，利用夹具的升降来完成工件的钻、铰加工，夹具结构简单、安全可靠、操作方便，采用气动缓冲装置，使气缸活塞运动时夹具运行平稳可靠，一次装夹完成四孔的双工位的加工，加工的工件能达到设计要求，保证了加工质量，提高了生产效率。

［1］李青. 机床夹具设计［J］. 机械工程与自动化，2004，6(127):99－103.

［2］左支柳. 摩托车右曲轴箱油道堵头压入工艺改进［J］.现代制造工程，2004(2):121－122.

［3］廖昌荣，钱山红，唐键. 90 摩托车右曲轴箱盖孔系加工专用机床的设计［J］. 组合机床与自动化加工技术，1995(4):9－11.

［4］周哲波，姜志明. 机械制造工艺学［M］. 北京:北京大学出版社，2012.

［5］王启平. 机床夹具设计［M］. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005.

［6］刘登平. 机械制造工业及机床夹具设计［M］. 北京:北京理工大学出版社，2008.

［7］杨曙东，何存兴. 液压传动与气压传动［M］. 武汉:华中科技大学出版社，2008.

［8］茅志玉，张慧萱. 一种气动式连杆铣夹具的设计［J］. 机械制造，2009，47(544):10－12.

［9］杨叔子. 机械加工工艺师手册［M］. 北京:机械工业出版社，2006.

［10］李益民. 机械制造工艺设计简明手册［M］. 北京:机械工业出版社，1994.