圆形六孔垫片的夹具设计

苏楚莲

（广东省粤东高级技工学校，广东汕头 515041）

0 前言

在各类产品的加工过程中，一些带有不规则孔的零件用通用夹具无法装夹，例如不均布圆形六孔垫片，因此必须根据生产需要对这些典型的零件设置夹具，以满足生产需要。本文通过分析该零件的结构特点和加工要求，设计了一套较合理的夹具，从而为保证该零件的加工精度提供一种经济实用的工艺装备，且具有一定的实用价值。通过对各种定位夹紧装置的分析比较，选择并组合了一套既能够满足加工要求又比较简洁的装置，同时又能降低工人的劳动强度，降低生产成本。

1 圆形六孔垫片零件的特点及加工过程中存在的问题

圆形六孔垫片属于数控机加工零件类型中的一种，在机械加工过程中，具有减少振动和磨损的作用。如图1 所示，该零件的外形要求是：圆盘直径为70 mm，其上有五个直径为20 mm 的小圆，分布不对称，中间有一个同尺寸的小圆。由于该五个小圆与圆盘圆心的距离为25 mm，且其中四孔是分布在圆周四个象限点上，剩下一孔分布在角度为50°的圆周上。在数控车床加工过程中，要加工这一不均布的五个孔，难装夹、难定位，而且对角角度难保证。鉴于上述原因，要在数控车床上加工其中五个孔是难以实现的。为了解决这一问题，要实现在数控车床上的加工，就必须设计一种相应易行的专用夹具，使在数控车床上加工该零件得以实现。

2 圆形六孔垫片零件的加工工艺分析

图1 工件图

如图1 所示，圆形六孔垫片的直径为70 mm，厚度为20 mm。现有一半成品铸铁件，尺寸与零件尺寸相一致，表面精度也已达到要求，中间直径为20 mm 的孔也已加工完成，如图2 所示。现要加工垫片上剩余的不均布的直径为20 mm 的五个孔。根据上述外形及尺寸要求，如果采用普通的夹具装夹，有下述难点难以克服：（1）由于加工孔位置的特殊性，难进行装夹，难定位；（2）在保证不均布孔的角度位置时的装夹找正的辅助时间较长，不能满足机加工中高效率的需要。因此，需在车床原有装夹装置的基础上，设计一个专用夹具，该夹具需满足下述要求：（1）保证装夹平稳，安全，可靠，即夹紧力足够大，易定位；（2）易保证零件的尺寸精度及形位精度；（3）拆卸、安装、找正工件的辅助时间较短；（4）能自动分度保证五个不均布孔的角度位置；（5）维修、更换易损坏部件方便。

图2 毛坯图

3 专用夹具设计[1]

在对该零件的五个特殊位置孔的加工工艺特点反复分析、研究的基础上，夹具采用“两面一孔”的原理来设计夹紧装置，主要特点是上面附有自动分度装置，以确保角度要求。总体上，它有如下特点：（1）保证装夹平稳，安全，可靠，即夹紧力足够大，易定位；（2）易保证零件的尺寸精度及形位精度；（3）拆卸、安装、找正工件的辅助时间较短，工件夹紧时，在夹具装置中的限位装置的作用下，能保证位置的稳定性；（4）能自动分度保证五个位置孔的角度位置，自动分度装置能按一定规律依次改变工件加工位置，从而保证孔的角度要求；（5）维修、更换易损坏部件方便。通过上述巧妙的设计，提高了该夹具的精度，满足了零件的加工精度要求。

3.1 设计的关键

该夹具的设计关键，在于能利用弹簧对定销，并根据分度头中分度盘的定角度原理自动进行换位转角度，以保证五个特殊位置孔的角度要求，且适应单件或多件同时加工，运用简便、易操作。

3.2 设计过程

3.2.1 定位、夹紧装置的设计分析

在设计过程中，车床夹具在结构上应基本平衡，自锁性能要可靠，且要保证定位基准、工艺基准和设计基准重合。为了使定位基准和设计基准重合，消除定位误差的影响，使用螺旋定心夹紧机构。“两面一孔”定位装夹，即以下底面及工件上中间孔径为定位基准，使用定心夹紧机构，其特点是定位和夹紧是同时实现的，定位元件也是夹紧元件，即以下平面为定位基准，如图3所示。

图3 定位夹紧装置图

3.2.2 机床夹具的精度分析

本夹具中工件以“两面一孔”定位，圆柱销的轴与中间定位孔是紧密的间隙配合；如果定位孔中心距存在公差误差，则夹具上的圆柱销就不能与工件的定位孔准确配合了，是装不进去的，因此对定位孔以及定位销的形位公差，尺寸公差等，都要有严格的精度要求。定位孔与圆柱销孔连心线必须是垂直的，否则就失去定位的意义了。

加工时必须保证底面和孔符合尺寸及位置精度要求，由于使用了定位中心销，当零件靠近定位中心销时，可以自动定出对称斜面的中心，理论上定位误差ΔY 等于零，但在实际生产中，总会有误差，如夹紧元件的移动误差、夹具的制作误差等，因此，在制作夹具过程中必须保证螺旋传动、夹具的磨损等产生的误差之和在零件误差允许的范围内。

3.2.3 对夹紧装置的基本要求

机械加工过程中，要保证工件不离开定位时占据的正确位置，就必须有足够的夹紧力来平衡切削力、惯性力、离心力及重力对工件的影响。而且夹紧机构在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点。夹紧力的稳定可减少夹紧误差。针对本文中该零件的加工，由于工件本身加工部分的位置特殊性，不易定位、装夹，所以在设计夹具中，对夹紧装置应力求使用性及工艺性要好，且便于制造和更换，操作起来要方便、省力、安全。

在本夹具中，夹紧装置采用定心夹紧机构，它是定位和夹紧同时实现的夹紧机构，同时可减少△dw。具有“定位—夹紧”元件的等速移动或均匀弹性变形来实现定心或对中，能用在要求定心和对中的场合。

3.2.4 各类力的分析

（1）离心力分析

因为工件的质量很轻，旋转半径和旋转速度也不大，基本上离心力可以忽略。

（2）夹紧力分析

夹紧力大小要适当，要克服切削产生的切削力和工件转动产生的离心力，夹紧力过大会使工件变形，过小则在加工时工件会松动，造成报废甚至发生事故。

用手动夹紧时，可凭人力来控制夹紧力的大小，一般不需要算出所需夹紧力的确切数值，只是必要时进行概略的估算。进行夹紧力计算时，通常将夹具和工件看作一刚性系统，以简化计算。根据工件在切削力、夹紧力作用下处于静力平衡，列出静力平衡方程式，即可算出理论夹紧力，再乘以安全系数，作为所需的实际夹紧力。实际夹紧力一般比理论计算值大2～3倍。夹紧力三要素的确定，是一个综合性问题。必须全面考虑工件的结构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素，才能最后确定较为理想的夹紧机构。

由于夹具体的重心不在主轴旋转轴线上，因此，必须在夹具体的相对位置设置平衡块。平衡块的轻重是通过使花盘跟主轴转动，若能任意停留在任一位置就可以判断该平衡块的重量适合。并且平衡块的重量及位置应可调节。

根据以上分析，夹具总图如图4所示。

图4 夹具总图

3.2.5 特性

本夹具主要以车削为主，经过试车的实践证明，该旋转式加工孔夹具保证了工件图样精度，效果显著、稳定，操作方便，所以此套“圆形六孔垫片的夹具设计”是可行的。

4 夹具装配图及技术分析

（1）夹具装配图

夹具装配图如图5和图6所示。

图5 夹具装配图1

图6 夹具装配图2

（2）技术分析

如图7 所示，该带分度花盘夹具主要靠花盘上的分度盘、转动盘，夹紧定位销及弹簧对定销来控制，以实现角度的变换。也就是来源于1、5、3、9的配合控制。

图7 夹具图

图7 中分度盘用三颗螺栓固定于花盘上，花盘上放置一转动盘，工件即放于转动盘上，并用中间的定位销及转动盘上的弹簧对定销作为定位及夹紧装置，并且转动盘跟工件可绕中间的定位销做旋转运动。当按照如图所示位置加工完第一个孔后，将转动盘侧面的弹簧对定销拧出，同时松工毛坯件上的定位销，此时转动盘可以带动工件在分度盘上旋转，即转过90°时，此时工件也同样转过90°，此位置就是下一孔的加工位置。此时弹簧对定销在弹力的作用下，对定销上的螺母插入分度盘中的分度孔，拧紧弹簧销，进行第二个孔的加工，当第二个孔加工完毕，以此操作步骤使工件分别旋转90°、40°、50°，加工第三、第四、第五个孔。所完成的零件便是六孔垫片零件。

分度盘3 的作用是分度盘上面有与工件分布一致的孔，作为工件加工过程中，孔位置的定位，缩短孔位置找正的时间，提高效率。

转动盘6 的主要作用是用于零件加工第一个孔后，带动工件作旋转，但此转动盘与分度盘及工件在同一中心线上，保证了零件的同轴度。

夹紧定位销7 的主要作用是用于保证零件的同轴度，以及保证当零件靠近斜面时不产生任何的基准位移误差，并用以角度定位的控制，定位中心销的加工精度必须很高，必须符合技术公差要求。

弹簧对定销9 的作用就是利用弹簧力来使在旋转确定角度过程中，能插入分度盘中的分度孔，确保分度的准确性。

平衡块8 的主要作用是，保证夹具体在机床中的平衡状态，保证夹具的精度。

为了保证夹具的准确性，精度性，必须制订夹具公差时，保证夹具的定位、制造和调整误差的总和不超过零件公差的1/3。

（3）效果

从该夹具的总体结构上来看，采用了旋转的转动盘后，实现了一旋转加工的快速效率，减少了零件的重复装夹以及对准工件中心等辅助时间。如图1 的零件所示，未用该夹具加工前，每件零件大约加工15 min 完成。使用该夹具后，每件零件加工时间是8 min，节约了7 min。按每天8小时工作时间计算，原工序每天约32 件，使用后，每班生产了约60件，比未使用前多生产了约28件，而且使用该夹具加工出来的零件尺寸符合图纸要求，质量稳定，减少了操作者的劳动强度，提高了生产效率。

5 操作步骤

（1）把卡盘装夹部位与数控车床三爪自动定心卡盘法兰配合，使夹具体能转不脱开，夹具体处于完全未装零件状态下，而且转动盘放置于分度盘上，如图8所示。

（2）依次把压板机构，以及弹簧对定销松开，将工件放置于转动盘的避空部位接触，工件的中心轴线与转动盘同轴，即要加工的孔的中心轴线与花盘同轴，拧紧压板上的螺栓，同时拧紧弹簧对定销。开车车削第一个孔至图样尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如图9所示。

（3）当车好第一个孔后，松开压板，再拧开弹簧对定销，这样一来，零件处于松弛状态下，此时弹簧对定销上的螺母也脱离了分度孔，利用转动盘绕中间定位销做逆时针转动90°，此时工件跟随着转过90°，弹簧对定销在弹簧力的作用下，螺母插入分度盘中相应位置的分度孔。拧紧压板上的螺栓，即可车削第二个孔至图样尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如图10所示。

（4）当第二个孔加工完毕后，松开压板上的螺栓，再拧开弹簧对定销，这样一来，零件处于松弛状态下，并脱离了分度孔，利用转动盘绕中间定位销再做逆时针分别转动90°、40°及50°，此时工件也随着转过90°、40°及50°，夹紧弹簧销在弹簧力的作用下，螺帽插入分度盘中相应位置的分度孔。拧紧压板上的螺栓，即可车削第三、四、五个孔至图样尺寸，表面粗糙度值Ra1.6，如图11所示。

图8 步骤一

图9 步骤二

图10 步骤三

图11 步骤四

（5）完工后松开松开压板上的螺栓及对定销，拆卸工件，重新装上第二个工件，循环加工。经工件多次检测，工件上孔的距离精度误差均在公差范围内，达到图样要求的精度，如图12所示。

图12 步骤五

6 夹具技术特点[1]

该夹具的主要特点是以工件的底面及中间一孔定位，并用中间定位销定位夹紧，用转动盘及弹簧对定销定位控制角度自动旋转，工件一次性装夹后，即可完成车削相应孔的加工。转动盘的位置固定并与工件同轴，不存在因工件多次安装造成的基准位移误差、转角误差及累计误差的影响，为高精度车削不均布孔径提供了可靠的保证（夹具能保证工件的加工精度，一次装夹就能完成工件的加工要求）。

旋转式车削孔径夹具省时、省工，精度可靠，亦操作方便。如果材料、制作工艺到位，特别适合大批量生产，能提高加工的效率和降低加工成本。

加工花盘，中心距取工件中心距的1/2 精度，控制花盘与过渡盘法兰止口定位的配合间隙取最佳公差，过渡盘与车床主轴按车床主轴锥度及尺寸连接。以减少安装累计误差，严格控制同轴度误差这是保证夹具精度的要素之一。

7 使用夹具时的注意事项[2]

在车削过程，由于工件和夹具随主轴旋转，以及刀具对工件的切削力影响，因此，在操作的过程中需要注意以下几个方面的问题：

（1）在安装零件之前，必须保证主夹具体的清洁，干净，无铁屑，无铁渣，以及各夹具部分的灵活部件完好无损，确保夹具体的制造使用精度无磨损、刮伤；

（2）安装零件时，必须保证零件在夹具中的夹紧稳固，确保所有夹紧螺丝达到零件锁紧程度下方可开车加工，千万不要出现锁紧不彻底，便马上加工的现象，这样出现的不仅是车刀，零件以及夹具损坏的加工事故，更严重的是伤及到人身安全的人身事故；

（3）在采用G00 快速定位指令及内孔加工循环指令时，不提倡采用斜线运动进行进刀或者退刀，避免刀具直接撞击到零件以及夹具体上，所以，采用了直排刀架的进退刀运动方式，即先进入或者退出X 或Z 方向到毛坯以外的安全位置，再进入或者退出X或Z方向。

8 结论

经过实践证明，以上所设计的夹具解决了在以上所列的加工问题，比其它夹具具有明显的合理性，而且它能适应更大的加工范围，对于其它的不规则位置的孔等都能达到加工目的，并能保证工件的技术指标，提高了加工效率及质量。

［1］肖继德，陈宁平.机床夹具设计：第2 版［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］刘守勇.机械制造工艺与机床夹具［M］.北京：机械工业出版社，2001.