采用静压膨胀夹具解决工件夹持难题

沈　健，周　隐，袁　华

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥　230009)



采用静压膨胀夹具解决工件夹持难题

沈健，周隐，袁华

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009)

摘要：静压膨胀夹具是一种超高精度夹具，夹持回转精度可以达到≤3μm；尤其适合于夹持薄壁工件和难夹持工件，解决高精度加工中的夹持难题。文章介绍了静压膨胀夹具的工作原理、典型的应用实例和应用特点。

关键词：静压膨胀;工装夹具;高精度夹持

0引言

在高精度机械加工中，合理地选择工装夹具对加工精度有重要影响。静压膨胀夹具是一种超高精度夹具,能够解决很多工件夹持难题，达到出奇制胜的效果。

1静压膨胀夹具的工作原理

将两个同心圆筒套在一起并将两端封住，形成一个封闭的圆筒形空腔，空腔中充满液压油。当对液压油施加一定的压力时，根据静压传递原理，这个压力会传递到油腔的每个位置。如果将两个同心圆筒其中之一的筒壁做薄，那么它受压后就会向内收缩或向外膨胀，利用该薄壁的变形就可以实现对外圆柱面的抱紧或对内孔的胀紧。由于薄壁此时是各处均匀受压，所以它对工件夹紧后的夹持精度很高，夹持回转精度可以达到≤3μm；另外由于薄壁和被夹持工件均匀贴合，夹持力均匀，特别适合于夹持薄壁零件。德国Mytec公司根据上述原理开发出一系列高精度外抱式静压膨胀夹具和高精度胀紧内孔的静压膨胀芯轴，并成功地广泛应用于机械制造行业。

1.1外抱式静压膨胀夹具

图1是外抱式静压膨胀夹具的结构示意图。在夹具主体与夹紧孔薄内壁之间有一个环形封闭油腔。当拧紧胀紧螺钉时，油腔内油压升高，使夹紧孔薄内壁承受均匀外压，向中心均匀收缩而抱紧被夹持工件的外圆柱面；当松开胀紧螺钉时，油腔内油压回落，夹紧孔薄内壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松开被夹持工件。

图1　外抱式静压膨胀夹具的结构示意图

1.2胀紧内孔的静压膨胀芯轴

图2是静压膨胀芯轴的结构示意图。在芯轴主体与芯轴薄外壁之间有一个环形封闭油腔，当拧紧胀紧螺钉时，油腔内油压升高，具有弹性的芯轴薄外壁均匀向外膨胀，胀紧被夹持工件的内孔；当松开胀紧螺钉时，油腔内油压回落，芯轴薄外壁在弹性回复力的作用下回复到原始直径而松开被夹持工件。

图2　静压膨胀芯轴的结构示意图

2静压膨胀夹具的典型应用实例和应用特点

2.1外抱式静压膨胀夹具的应用

在机床上常用卡盘夹持工件外圆，例如在车床、磨床上用卡盘夹持工件。但是当工件是薄壁件或者要求夹持精度≤10μm或者对夹持位置有特殊要求时，卡盘就难以满足要求，此时静压膨胀夹具就可以显示出它的优越性。图3是一种用于车床的外抱式静压膨胀夹具，夹具直接与车床主轴连接，被夹持工件是一种薄壁轴套，轴套上的二个外圆柱面是一次装夹加工出来的。图3夹具的特点是：①在二处外抱夹持外圆柱面，解决了过定位夹持问题；②夹持力均匀，被夹持工件变形小，适合于薄壁工件的夹持；③夹具的回转精度高，加工后工件内孔对被夹持外圆的径向跳动≤6μm。

图3中的夹具解决了车床卡盘夹持薄壁零件变形大和卡盘精度不够高的问题。

图3　用于车床的外抱式静压膨胀夹具

在数控成型磨床上磨削空压机螺杆螺旋面时，要求磨削后螺杆螺旋面对螺杆轴的径向跳动很小，采用静压膨胀夹具后径向跳动≤3μm，如图4所示。在图4里使用了二件静压膨胀夹具。膨胀夹具2的右端夹持螺杆的左端，采用手动夹紧；膨胀夹具2的左端做成标准尺寸，与膨胀夹具1的右端孔相配，构成快换接口，对于不同的被加工工件，采用不同的膨胀夹具2，但不同的膨胀夹具2的左端是相同的；膨胀夹具1的左端连接磨床主轴，采用自动夹紧；加工时螺杆左端被夹持，右端被尾架顶针顶住。

膨胀夹具2可以跟随螺杆在不同加工工序使用，提高重复夹持精度。

图4　用于数控磨床的静压膨胀夹具

滚齿是一种常用的展成加工外齿轮的方法。当加工精度要求很高时，可以选择用静压膨胀夹具。图5是一种静压膨胀滚齿夹具，被加工的齿轮轴的齿对轴承支承部位的径向跳动有精度要求。静压膨胀夹具夹持在轴承支承部位，依靠夹具端面实现齿轮轴的轴向定位，夹具的径向和端面跳动≤3μm，夹具刚性及稳定性高，夹持变形小，夹具可以自动夹紧。

图5　静压膨胀滚齿夹具

内齿圈一般采用插齿机加工，而内齿圈通常又是薄壁零件，装夹困难，在这里静压膨胀夹具具有明显优势。图6是一种静压膨胀插齿夹具，内齿圈的齿形以外圆为基准。由于静压膨胀夹具夹持力均匀，解决了薄壁内齿圈的夹持变形问题。静压膨胀夹具外抱夹持薄壁内齿圈的外圆柱面，夹具孔的底面台阶对内齿圈轴向定位。静压膨胀夹具的径向和端面跳动≤3μm，加工产生的铁屑从夹具体上的排屑孔排出，夹具可以自动夹紧。利用不同变径套可以夹持多种外径的内齿圈。

零件测量时要求对测量基准进行高精度夹持，然后再以此基准进行测量。图7是用于测量一种轴套的径向跳动和端面跳动的外抱静压膨胀夹具。静压膨胀夹具采用可以预紧的高精度径向和轴向轴承支撑，夹具的径向跳动≤3μm。夹具夹持作为测量基准的外圆柱面，测量另一个外圆柱面的径向跳动和一个端面的端面跳动。夹具采用手动夹持。

图6　静压膨胀插齿夹具

图7　用于测量的外抱式静压膨胀夹具

2.2静压膨胀芯轴的应用

一种飞机发动机涡轮转子由5个部件采用真空激光焊接拼焊而成，由于对拼焊后的涡轮转子精度要求很高，采用静压膨胀芯轴作为焊接工装，如图8所示。拼焊时以5个部件的内孔为基准夹持定位。该芯轴有5个胀紧段，每段可以由相应的胀紧螺钉单独胀紧，定心精度高。拼焊时从下至上依次放入部件(和衬套)，依次胀紧部件内孔，消除部件内孔和芯轴之间的径向间隙，保证5个部件的同轴度，最后用液压轴向压紧螺母将5个部件轴向压紧。液压轴向压紧螺母当焊接引起涡轮转子轴向尺寸发生变化时仍能轴向压紧转子。由于部件4的内孔大于部件3的内孔，出现了肚大口小的情况，为了避免用于部件4的衬套2取出时出现干涉，衬套2采用分块式结构。

图8　用于涡轮转子焊接的静压膨胀芯轴

当外齿轮以内孔为夹持基准滚齿时，可以使用芯轴。一种滚齿芯轴如图9所示，工作时推杆先顶胀紧活塞，使芯轴膨胀消除芯轴和齿轮内孔之间的间隙，实现齿轮在径向的准确定位，然后推杆端面再压紧齿轮实现齿轮的夹持。芯轴的径向跳动≤3μm。芯轴可以自动夹紧。

但这种芯轴在胀紧齿轮内孔后和齿轮之间还会有微小的轴向相对移动，会造成芯轴磨损。

图9　滚齿芯轴

一种静压膨胀剃齿芯轴如图10所示，它对图9中的芯轴做了改进。推杆先通过弹簧推端面压板，端面压板推齿轮使它轴向靠紧芯轴端面，然后推杆再顶胀紧活塞使芯轴膨胀而消除芯轴和齿轮内孔之间的间隙，最后推杆通过端面压板压紧齿轮端面。解决了图9中芯轴在胀紧齿轮内孔后和齿轮之间还会有微小轴向相对移动的问题。芯轴的径向和端面跳动≤3μm。芯轴可以自动夹紧。

图10　剃齿芯轴

3结束语

德国Mytec公司的静压膨胀夹具具有优良的技术性能：极高的夹持回转精度和重复夹持精度；极优的阻尼减振性能；稳定可靠的夹紧力；能够传递很高的扭矩；夹紧系统具有全封闭结构，无磨损，经久耐用。是当今国际上最先进的夹具之一，在机械制造中应用广泛。

[参考文献]

[1] 官忠苑.液压传动系统[M].北京:机械工业出版社, 1987.

[2] 佟璞玮.高性能液压夹具及其应用[J].组合机床与自动化加工技术，1997(4):25-31.

[3]袁华，沈健.弹簧夹套式与夹持技术中心的新发展[J].制造技术与机床,2014(2):156-158.

(编辑李秀敏)

The Hydraulic Expansion Fixtures are Used to Solve Workholding puzzle

SHEN Jian, ZHOU Yin, YUAN Hua

(School of Mechanical Engineering and Automobile, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract：The hydraulic expansion fixture is a kind of ultra-precision fixture. The true running accuracy of the expansion fixture is less than 3μm. The hydraulic expansion fixtures are used to solve workholding puzzle, especially for thin-walled parts and the workpieces which are hard to hold. The principle and characteristics of hydraulic expansion fixture, as well as some typical application examples have been introduced in this paper.

Key words：hydraulic expansion;fixture;highly precision clamp

中图分类号：TH122;TG757

文献标识码：A

作者简介：沈健(1956—)，男，江苏溧阳人，合肥工业大学教授，工学博士，研究方向为机械设计与机械制造，(E-mail)shenjian56@hfut.edu.cn。

收稿日期：2015-10-20;修回日期：2015-12-18

文章编号：1001-2265(2016)01-0115-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.032