薄壁圆筒类零件夹具设计的改进

摘要：本文通过实例讲述了薄壁圆筒类零件加工时使用的三种夹具：开口衬套、导向套和液塑夹具的使用特点。在使用开口衬套时，由于工件装夹难度相对较大，毛坯材料浪费较大等方面的缺点。运用实际零件从力学角度和工件装夹等方面，分析引入导向套夹具的可行性；但遇到精度要求高、定位难度大的工件加工时，导向套夹具很难满足其加工精度，本文利用实例进一步改进夹具的设计，并详细介绍机床液塑夹具的制作、使用及有关注意事项。

关键词：薄壁圆筒　开口衬套　导向套　液塑夹具

薄壁圆筒类零件在机械产品中应用相当广泛，但在生产加工中，无论是加工内孔还是外圆，如果将工件直接装夹在卡盘上，装夹力偏小容易使工件打滑；装夹力过大，工件易产生弹性变形而出现三棱圆现象。如图1—（b）所示。其原因是工件在夹紧时，其内壁受卡盘爪对它的夹紧力F的作用，因工件壁较薄故发生如图1—（a）所示的变形；车外圆时，凸出部分材料被切削较多，当工件加工完成后，卸去夹紧力，工件将变成如图1—（b）所示的三棱圆形状。

车内孔的变形分析与之相似。

（a）　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 （b）

图1薄壁圆筒的变形

传统的解决方法一般是采用开口衬套夹具来改善装夹薄壁圆筒类工件的受力情况。车外圆时，如图2—（a）所示，用弹性较好的材料做一个与内孔相配合的开口衬套；车内圆时，如图2—（b）所示，装夹一个与外圆相配的开口衬套，这样通过开口衬套把卡爪的夹紧力比较均匀地分压在工件的圆周上，可以提高工件的刚度。从而消除了因夹紧而产生的局部变形。

（a）　 　 　 　 　 　 　 　（b）

图2车薄壁圆筒类工件的开口衬套夹具

1—内开口衬套   2—卡爪     3—加工件     4—外开口衬套

这种方法适用于大批量生产，当工件直径发生变化时，要重新加工一个开口衬套，既浪费材料，又不利于提高生产效率。为此，结合图3的零件，改进薄壁圆筒类零件加工的夹具设计，介绍适用薄壁圆筒类零件使用的导向套夹具。

一、导向套夹具

（一）零件分析

如图3所示，因工件直径相对较大，壁厚又较薄，在车床上用卡盘夹紧，加工难度大。装夹力小，工件容易打滑；装夹力大，由于工件产生弹性变形，加工过程中容易产生弹刀和共振，很难保证工件的尺寸精度和加工表面质量。如果采用在车床上用花盘夹紧的方式加工，工件毛坯上还需预留装夹部位；加工后切断装夹部位导致材料利用率降低，增加成本。

图3零件示意图

（二）、导向套夹具的设计

针对上述弊端，起初设计导向套加工夹具。如图4所示，导向套夹具是由夹座、拉杆、内、外压板和螺母、螺钉组成；工件在装夹前，按传统方法加工出工件大端端面及其上4×M10—7H螺孔至图样要求。加工工件外圆时，按图4—（a）装夹，工件用螺钉固定在夹座上的定位台面上，定位台面内外均有退刀空间，然后用拉杆、内压板、螺母将工件在夹座和内压板之间夹紧。车床四爪单动卡盘夹住夹座，按夹座大平面（即工件大端面）和工件外圆找正、夹紧。然后加工工件的所有外圆面。

（a）　 　 　 　 　 　 　 　 　（b）

图4 加工薄壁圆筒件的导向套夹具的示意图

1-工件    2-夹座   3-拉杆   4-内压板   5-螺母   6-外压板    7-螺钉

待加工完后，再按图4—（b）装夹，夹座、工件、螺钉均不动，卸下内压板、换上外压板，同样用拉杆、螺母将工件夹紧，就可以加工工件的内圆面。加工完成后，再卸下外压板、拉杆、螺母，最后加工工件小端面。

（三）、导向套夹具的理论依据

按图4—（a）方式装夹加工工件，各部分的受力分析如图（5）所示。当拧紧螺母夹紧后，拉杆分别受夹座和压板给它的作用力F3和F4作用，发生拉伸变形；而夹座和压板也将受到拉杆给它们的反作用力F3´和F4´的作用。另外压板还受到工件给它的力F1的作用，F1与F4´构成平衡力系而处于平衡状态。同样夹座除受到拉杆给它的反作用力F3´与工件给它的力F2作用而处于平衡状态。工件受到压板及夹座给它的反作用力F1´和F2´的作用而产生压缩变形。

由此可见：工件由原来的径向受力转变为轴向受力。

按图4—（b）所示的装夹方式的受力分析与图5类似。在此不再详述。

图5 导向套夹具的受力分析图

（四）、导向套夹具的特点

由上述分析可知：

1、采用导向套夹具，工件由采用卡盘装夹时承受径向装夹力转变为承受轴向装夹力，工件受力状况大为改善，减小装夹时的工件变形。

2、由直接装夹工件改为装夹夹座，降低了工件装夹的难度。

3、由于工件与夹具成为一体，工件的刚度大为增加，减小了工件加工时变形和弹刀共振的可能性。

4、工件一次装夹加工，提高了工件的加工精度，满足了产品的技术要求。

使用该夹具取消了以前毛坯所需的装夹部位,材料利用率提高了5%以上，材料成本显著降低。但对于精度要求高、定位难度大工件却很难满足，为此，介绍设计制作液塑夹具在薄壁圆筒类零件加工中的应用。

二、液塑夹具

液塑夹具是一种高精度定位夹具,（可使工件外圆同轴度达到0.005~0.010mm）它主要是在薄壁套筒内灌装液性塑料（液性塑料在100ºc以下为塑性半固体，流动性好，可压缩性极小）。当液性塑料受到挤压时，它会将所受压力均匀地传递到薄壁套筒上，薄壁套筒受力变形膨胀或收缩，消除了套筒与工件定位面的间隙，可达到高精度的无间隙重复定位。主要用于精加工工序。液塑夹具适用于车床、磨床和滚齿,也适用于一些特殊要求的场合。

（一）、液塑夹具的设计

如图3所示的加工零件图，工件的内、外圆已在车床加工完毕，现在以内孔Φ200H7定位加工3×Φ6+0.012o 销孔，销孔相对内孔位置度为0.02mm。销孔间的相对位置可由加工中心保证，销孔相对内孔的位置必须由夹具保证。因为内孔尺寸Φ200H7比较大，若工件孔与定位销间隙小，则不易装卸工件，间隙过大则不能保证0.02mm的位置度要求。

既要保证在装卸工件时，定位销与工件内孔有足够的间隙，装卸方便，又要通过薄壁套筒的胀紧，消除装卸时的定位间隙。因此，考虑使用液塑夹具。

液塑夹具一般由图6中所示的六部分组成。该夹具的设计关键是与工件内孔相配合的定位圆销，定位圆销（套筒）的直径D设计为Φ200f7，夹具体与薄壁套筒组成密封腔用于盛放液性塑料，排气螺钉用于灌装液性塑料时将密封腔内的气体排出，由于液性塑料流动性强，受到挤压时容易沿缝隙挤出，造成塑料泄漏。所以压缩塑料时必须有一柱塞，柱塞与内腔配磨，这样塑料不易泄漏。

图6液塑夹具的示意图

1、 圆销  2、薄壁套筒  3、排气螺钉  4、柱塞  5、内六角螺钉  6、液性塑料

夹具体与薄壁套筒之间必须过盈配合，一般过盈量为0.15mm，若为方便装配，过盈量小时，夹具体与薄壁套筒之间可用铜焊密封。薄壁套筒的结构如图7所示。

图7薄壁套筒结构图

薄壁套筒与滑柱的主要参数设计和计算如下：

1、套筒壁厚t

设计工件长度确定套筒薄壁部分长度L为300 mm，由L和套筒直径D代入公式：t = 0.025D = 0.025 × 200 = 5 mm。

2、套筒固定部分LC及tc

由套筒直径D = 200 mm查表可得到：

LC = 36 mm        tc = 26 mm

3、夹具体与套筒配合过盈量δ：

由工件基准直径D查表可得到：δ = 0.15 mm

4、在套筒最大允许变形条件下，夹紧工件的最小过盈量δmin：

δmin = △D max － △max

= 0.002 × 200 － (200.046－199.921)

    = 0.4－0.125

 = 0.275 mm

其中:△D max ——套筒直径方向最大允许变形量，取（0.002~0.003D）。

△    max ——工件与套筒的最大间隙（末夹紧前）。

5、δmin的夹紧力矩M的计算

M = 1.414×106×t×(D t)0.5×δmin(D、 t、δmin的单位为cm)

= 1.414×106×0.5 ×(20×0.5)0.5×0.0275×9.8(N·cm)

≈ 6149   (N·m)

6、切削力矩的计算

M阻 = 60×N／（2πn）

= 60×7500／（2×3.14）×πd1／1000vc

= 60×7500／（2×3.14）×(3.14×6／1000×5)

= 814(N·m)＜M

其中: d1 = 6 mm；vc = 5 m／min；N=7500（W）

7、液性塑料的工作压力p(要求：p≤45MPa)

  P = 1.31×106×△D max×t／(D×L)---- △D max、t、L的单位为cm

    = 1.31×106×0.04×0.5／（20×30）×(9.8／100)    (MP)

    ≈ 43.65MP≤45MPa

8、柱塞直径d

因D／2﹤L﹤D，故d = 1.8D0.5

=1.8×(200)0.5

= 25.452  (mm)

9、需要作用在柱塞上的推力P

P = π／4×d2×p

= 3.14／4×25.4522×43.65

≈23  (KN)

（二）、液性塑料的配制

1、液性塑料的配方表

不同的配方制成的液性塑料流动性不一样，可获得不同的用途。下面的配方适用于压力传递较近的夹具,应用最为广泛。

液性塑料的配方表

2、液性塑料的调制

（1）先将上述配方中的聚氯乙烯树脂和硬脂酸钙，磷苯二甲酸二丁酯和真空油分别盛放于瓷质或铝质容器中混合搅拌均匀，再将两者混合搅拌均匀，静置待用。

（2）将上述容器置入盛砂的锅中，将砂锅放在电炉上缓慢均匀地加热，并不断用玻璃棒进行搅拌，防止容器壁局部过热，烘坏塑料。

（3）用温度计插入塑料中测量，使加热温度保持在150‐160ºc左右。

（4）随着加热时间的不同，混合液体颜色逐渐发生变化，开始由白色变为浅灰色；最初在加热温度未达到150ºc时，液体逐渐变稠，然后粘稠的半凝固液体逐渐变稀，颜色变成褐色，最后变成深褐色时停止加热和搅拌。

（5）液塑需要在150‐160ºc时保温20min(可在保温炉中进行)。

（三）、液性塑料的浇注

1、预热

在塑料保温时，将需要灌塑的夹具体及浇注工具（包括：漏斗、接管及玻璃棒，预热前应先将它们擦拭干净）进行预热，温度也在150‐160ºc左右，预热的目的是防止塑料失去流动性，预热时将加压螺钉及放气螺钉拆下。

2、浇注

将调制好的塑料除去表面浮渣，立即从浇灌口（加压柱塞口）进行浇灌，待塑料溢出排气孔时，拧紧排气螺钉，直至塑料注满整个夹具内腔，并从浇灌口溢出时为止，剩余留作补缩用。

3、补缩

液塑在冷却过程中的收缩量约为10%左右，因此必须边冷却边补缩，直至不能补缩为止，如果发现胀紧量不够，可以从加压柱塞孔中加入一些切成小块的上述剩余塑料。

（四）、注意事项

1、夹具设计时必须要有排气螺钉及滑柱，而且滑柱易设计成可方便取出的结构，因为塑料泄漏后要从加压口补塑料。

2、套筒与夹具之间要有足够大的过盈量，或直接用铜焊密封，以防止塑料泄漏。

3、液塑配方可根据不同用途，改变成分比例，获得不同的流动性。

4、加热时，要不停用玻璃棒搅拌均匀，防止局部过热。

（五）液塑夹具的特点

由此，不难看出这种夹具具有结构简单、紧凑，制造容易，调整较方便等优点，经实际使用后，效果非常理想，既保证了加工质量，又提高了生产效率。但是，在使用中也存在一些问题。比如：在塑料的调制过程中,要挥发一些有味气体,所以一定要在通风的环境中进行调制；一般情况下，夹具中的液塑3年左右需要更换一次；更换时要将夹具加热，液塑方可流出；薄壁套筒的最终尺寸，需在浇注完成后磨出。

三、结束语

薄壁圆筒类零件加工所涉及的夹具多种多样，使用时要根据零件的加工要求和夹具的经济性能来选择合理的夹具。本篇只对薄壁圆筒类零件的加工提供了一定的经验。

在写作过程中得到了华南理工大学宋小春教授的大力支持，对此深表谢意！

参考文献：

《机床夹具设计手册》上海科技出版社

《机械工程手册》机械工业出版社

《机械加工工艺辞典》学苑出版社