吴小邦

（常州机电职业技术学院，江苏常州 213164）

1 问题的提出

笔者在常州第二纺织机械有限公司工艺部门工作时发现，在某汽车专用设备上有一类型的零件，其厚度尺寸有8 mm、18 mm、32 mm、42 mm四个品种，高度均为52 mm，生产规模为多品种中小批量生产，其零件如图1所示。本工序是要在2个不同的截面上铣出1个宽为4 mm的槽，该槽要求对外形的对称度允差0.02 mm。

以前，这样的工件在二侧面铣削后在自动专用铣床上加工槽，由于宽度尺寸误差较大（按自由公差12级），如果工件采用单面定位，钳口单侧移动夹紧，根本达不到图纸要求。为保证对称度要求，开始在修订加工工艺时，在外形尺寸上给出精度要求为8级，结果是大大提高了加工成本;而且外形尺寸在30 mm以上时，合格率也只有80%。似乎8级精度要求还太低，还要进一步提高前道工序精度，这在成本控制方面是不允许的。

为此，工厂要求研制一套专用铣槽夹具，在现有机床的基础上，保证工件上槽的对称度公差要求。由于是多品种中小批量生产，更换工件较频繁，还要求设计的夹具能一次对刀完成5种规格（4种厚度、1种高度）的装夹，这对于提高产品合格率和经济效益，具有很重要的意义。

2 自动定心夹具工作原理

依据图2，经分析可知，工件对称度误差超差的主要原因，是由于宽度误差大，且采用单面定位、钳口单侧移动夹紧、调整法加工而产生。但工件宽度和高度（基准）误差是不可能避免的，自动定心夹具就是要克服基准定位误差，保证工件的对称度要求。

根据工件的具体结构和加工要求，如果采用双向定心夹紧装置，就能消除宽度误差，保证工件的对称度公差要求。但由于该种工件尺寸小、加工精度较高，如用一般的定心夹紧机构，运动副之间的间隙会逐步加大，影响加工后的位置精度，很难满足上述条件及加工要求。

图3为铣槽双向自动定心夹具动作原理图。装夹时，夹具上的夹紧装置作用在夹紧钳口4上的力F，使钳口4沿导轨向右移动，其上销子5通过拨杆6使装在同一轴上的齿轮7转动。齿轮啮合的传动力，带动另一轴上的拨杆6'带动销子使夹紧钳口4'向左移动，完成工件的夹紧动作。加工结束时，松开作用在4上的力F，弹簧3的拉力使钳口4'向右移动，通过拔杆6与齿轮7反向动作，使钳口4向左移动，完成工件的松开。弹簧使两齿轮始终以同一侧接触，消除齿轮侧隙，并起自动松开作用。夹具结构图如图4所示。

3 误差分析计算

在该夹具的设计中，由于合理地分配夹紧力F和弹簧拉力，采用齿轮联动机构，消除了各种运动件间隙的影响和反向空行程，使两夹紧钳口移动同步，距离一致。该夹具的设计使工件的设计基准与定位基准重合，故基准不重合误差为零。独到的结构设计，消除了齿轮啮合间隙、拔杆与销子7配合间隙对定位误差的影响。

能造成基准移位误差的因素有2个:

（1）两拔杆的不等臂误差ΔL。由于拔杆6及6'（图3）上端是台阶形开口，始终是单边接触，所以ΔL与两销子位置及齿轮中心线有关，该因素造成了夹紧钳口4及4'（图3）在齿轮转角相同情况下所移动的距离不等，从而影响到工件槽口的对称度。

在图5中，设拔杆设计长度为L（齿轮回转中心到销子中心的距离），两杆的不等臂误差为ΔL（齿轮中心连线至两销中心连线的中心距公差），夹紧钳口单侧移动距离为X，由不等臂误差造成的钳口移动位移差为ΔX，当钳口移动X时齿轮摆角为 α，于是，依图5有:

故:ΔX=ΔLtanα=ΔL·X/L

设计中，L取50 mm，单侧钳口移动距离X=0.5 mm，中心距误差ΔL取0.2 mm，将各值代入上式，得:

对工件对称度影响只有ΔX的1/2，因此，由不等臂误差造成的工件槽对称度误差δ为:

由此可见，在该夹具的设计中，由不等臂误差引起的槽对称度误差很小，可完全保证图纸的精度要求。

（2）齿轮传动精度误差。工件装夹时由于齿轮精度误差，两齿轮产生转角不同而产生位移误差，主要由单个齿距偏差fpt和齿距累积偏差FPk引起（见图6）。

对于同一种工件而言，钳口收紧时的行程变化微小，最大仅为工件的厚度公差，这时夹紧齿轮的转角误差可忽略不计，齿轮精度不会影响对称度。

由于是多品种中小批量生产，有4种厚度规格，1种高度规格，更换工件较频繁。当工件从最小厚度到最大厚度装夹时，钳口至少移动42 mm，单侧移动21 mm，齿轮精度会使两导轨产生移动量之差，从而会影响对称度。当齿轮精度不够时，需重新对刀，从而大大降低生产效率。在本例中，取齿轮模数m=2 mm，并考虑到两拔杆的放大作用1.8倍（长度L和齿轮半径r之比），则齿轮需要转动2个周节（pt=πm，钳口移动距离S=1.8×2×pt≈22.6 mm），所以在齿距累积偏差FPk中，取k=2。

由于总的对称度误差是0．02 mm，考虑到拔杆的不等臂误差ΔL、对刀误差、拨杆的放大作用等，齿距累积偏差FPk不应超过0.01 mm。

据此查阅机械设计手册，在齿轮直径50＜d≤125 mm，m=2 mm时，6级精度齿轮能附合要求（fpt=7.5 μm）。即在这样的条件下，加工多种规格的工件可保证无需对刀。

当钳口移动距离较大、工件加工精度不变时，对FPk的要求不变，则随着k值的增加计算出的fpt值就变小;但齿轮精度不能无限提高，所以只能在有限尺寸段里做到不用对刀。当大批量生产更换工件采用对刀情况下，齿轮精度就可采用普通级。

4 结语

该自动定心铣槽夹具经检测得知，不仅符合计算分析结果和使用要求，还具有以下特点:

（1）对于同一种工件，对夹具零件加工精度要求不高，加工成本低;当更换加工多品种工件时，在一定尺寸段里，采用高精度齿轮可保证无需对刀。精密的定心作用在加工其他工件时也发挥了特别作用，如普通轴上的键槽、花键的加工。

（2）设计时为提高夹具精度，结构上要使齿轮回转中心到销子中心距离（拔杆设计长度L）尽量短，以减小齿轮回转误差的放大作用。同时在强度足够的情况下，齿轮模数不要选取过大，以放宽对单个齿距偏差的要求，降低齿轮加工精度。

（3）独到的消除间隙结构设计为自动定心夹具设计提供了新方法，其设计原理在工厂的产品设计中也可推广应用。

［1］杨黎明．机床夹具设计手册［K］．北京:国防工业出版社，1996．

［2］卜炎．机械传动装置设计手册［M］．北京:机械工业出版社，1998．

［3］吴宗泽．机械设计师手册［M］．北京:机械工业出版社，2002．