殷建胜

（广东省国防科技高级技工学校，广东广州510515）

0 引言

加工中心的问世使机械加工业的发展迈进了一个新时代。对于有条件应用加工中心的使用者来说，所谓“加工难，精度低，劳动强度大”的话题已成过去，这是一个事实。

从加工原理的角度看：多轴的加工中心具有对加工件进行复杂空间曲面的切削加工的功能，使绝大多数加工件在一次装夹加工中就能获得成型。而三轴加工中心只具有对工件的顶面进行切削加工的功能，若遇形状较复杂的加工件要在加工中获得成型，则要进行多次装夹加工。

从加工精度的角度看：多轴的加工中心在一次装夹的条件下完成整个加工过程，加工精度较容易满足。换句话说，在同一要求的条件下它较容易保证加工件的精度要求。三轴加工中心在加工形状较复杂的情况下，由于它要通过多次变换装夹才能完成对被加工件的加工，如果没有注意每次装夹的合理性（如夹具的设计制造；加工基准的统一；加工件位置的准确测量，即俗称“对刀”等），被加工件的精度要求大多数还是很难保证的。

1 圆孔座板的斜孔加工工艺制定

有约2000个旧圆孔座板，因设计改造，需要在圆孔外周钻φ6mm斜孔（图1）。分析图纸得知需要加工部位的精度要求和加工数量，如果使用钻铣床加工，该设备主轴无法摆成一定的角度，加工精度也很难达到产品的需求。分析认为这个零件在四轴加工中心上加工更合适，加工效率更高，只需要设计一个专用夹具。

1.1 圆孔座板的斜孔加工工艺分析

（1）待加工孔中心轴与对称孔中心轴成60°±0.1°，而且孔中心轴线经过φ20mm通孔的圆心，加工公差只有±0.1°。

（2）同一侧孔的中心距为15±0.02mm，孔的尺寸公差是H7（图2）。

1.2 加工工艺制定

该工件需要加工的部位为孔加工，且该孔的尺寸精度和位置精度要求高，所以工艺规程中分钻、铰两个工序。由于需要加工孔的中心轴线不在同一个平面，完成一侧的孔加工后需要转动60°再加工另一侧的孔，需要设计可以转动的夹具。

2 圆孔座板的斜孔加工夹具设计

2.1 夹具的设计原理

图1 零件图

图2 局部加工图

（1）设计一套夹具在四轴加工中心上加工，使该夹具可以随着四轴加工中心的第四轴转动，带动产品也转动一定的角度，使φ6mm孔钻头不用摆角度就可以分别钻φ6mm孔与另外一边的φ6mm孔，这样就可以实现一次装夹完成所有孔的加工。

（2）为了保证φ6mm孔的位置精度和尺寸精度，加工工件的旋转中心必须是φ20±0.01mm通孔的圆心。也就是说，此夹具要满足加工工件、夹具和机床的第四轴旋转中心必须同心这个条件。

2.2 夹具定位元件的确定

夹具定位元件如图3所示。

图3 定位元件

2.2.1 芯棒

将该产品φ20±0.01mm通孔置于芯棒上，可消除产品Z、Y方向的移动和转动以及X轴的移动五个自由度。

2.2.2 水平挡块

通过辅助侧板固定在产品底部，可消除产品绕X轴的转动。

2.3 夹紧方案及夹紧装置的设计

根据夹紧力应朝向主要定位基准，并使其作用点落在被加工产品刚性较好的部位的原则，可选用快速螺旋压板机构（图4），使夹紧力作用在产品φ20±0.01mm通孔的左端面上。

图4 夹紧机构

2.4 夹具刚性分析与误差分析

（1）夹具的主要元件是芯棒，是承受大部分切削力的部件，而芯棒的直径只有φ20mm，在加工的过程中会发生震动，影响产品加工部位的位置精度。为了避免发生震动这种情况的出现，可以在夹具的左侧增加顶针来提高夹具的刚性，夹具采用一夹一顶的方式装夹（图5）。

图5 刚性分析图

（2）夹具在定位产品时，水平挡板可能与产品之间有间隙，产品装夹的角度误差不影响产品的加工误差。当产品以φ20mm通孔的圆心为旋转中心旋转0.1°时，产品底部的间隙是0.07mm，辅助侧板φ20mm通孔的圆心到底面的设计尺寸为（30±0.05）mm，这个夹具可以满足产品的加工需求（图6）。

2.5 夹具设计优化

产品在本夹具装夹需要加工的部位是通孔，为了避免孔加工时对芯棒产生切削力，影响加工精度，可以在芯轴上增加两条避空槽，在加工时避开芯棒（图7）。

图6 误差分析图

图7 避空槽图

2.6 产品的定位与夹紧

（1）产品是采用芯棒夹具进行装夹的，安装好夹具校正芯棒的中心轴线与机床旋转轴中心轴线同轴后，从夹具左边把产品套进去，产品φ20的通孔与芯棒φ20的外圆配合，碰到φ30外圆的左端面停下，就限制了产品五个自由度（沿X、Y、Z轴的移动和绕Y、Z轴的转动），也保证了产品的旋转中心轴线与夹具的旋转中心轴线同轴（图8）。

图8 产品在芯棒定位图

（2）锁紧底板底部螺丝保证产品的水平位置，同时也限制了产品绕X轴旋转的自由度。

（3）应用夹紧装置对产品进行压紧，完成对产品的装夹（图9）。

图9 产品夹紧效果图

2.7 夹具的设计小结

2.7.1 孔的中心轴之间的角度

当钻好左侧孔时，转动机床旋转轴后，再钻右侧孔，因为产品是定位在夹具上的，机床旋转轴与夹具一起运动，而产品的旋转中心、夹具的旋转中心和机床旋转轴的旋转中心是同轴的，所以产品、夹具的误差对此的影响可以忽略。影响孔的中心轴之间的角度的关键因素在于机床旋转轴的回转精度，而机床旋转轴的回转精度为±0.01°，产品要求的精度为±0.1°，完全符合要求。

2.7.2 孔的中心轴之间的孔距精度

在进行产品加工时，由机床的旋转轴转动与X轴移动来确定孔的位置，Y轴不做任何作用，所以影响孔中心轴孔距精度的因素是X轴的重复定位精度（机床的反向间隙），而机床X轴的重复定位精度为0.005mm，产品要求孔中心孔距为±0.02mm，符合要求。

2.7.3 使用本夹具后加工效率有很大的提升

主要体现在：（1）夹具对产品的重复定位精度高，不需要多次的对刀分中。（2）因为加装了开口垫片，装拆产品时不需把夹紧机构全拆下来，只需拧松螺丝把开口垫片取下就可以对工件进行装拆。

3 结语

生产此套夹具，加工精度和生产成本较低，在中、小批量的生产中，生产成本基本上可以忽略不计，使用此套夹具进行零件生产，可以对加工工艺进行优化，零件从二次装夹减少到一次装夹，节省了装夹辅助时间，更好地保证了加工零件的尺寸精度，提高了加工效率，同时也降低了生产操作者的劳动强度。

［参考文献］

[1]刘守勇.机械制造工艺与机床夹具[M].2版.北京：机械工业出版社，2000.

[2]沙莉，阳夏冰.机床夹具设计[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[3]洪惠良.机床夹具[M].4版.北京：中国劳动社会保障出版社，2011.