机械与设备
关于细长轴加工夹具设计的关键技术研究 关于细长轴加工夹具设计的关键技术研究
曹凯
（江阴纺织器材厂，江苏 江阴 214400）
【摘 要】随着科技的快速发展，传统的机械加工方法已无法满足零件的精度要求，生产自动化必然是未来的发展趋势.考虑到细长轴的加工很复杂，工装夹具的设计更需进一步的研究。基于此，本文系统阐述了细长轴加工的特点及工艺流程，对工装夹具设计的原则及技术要求进行了探讨，希望对细长轴加工的夹具设计有一定的借鉴意义。
【关键词】细长轴加工；夹具设计；关键技术 引言
工装夹具的主要作用是装夹工件，不仅可以有效避免焊接过程中工件产生变形，还可以通过准确定位，减少或省去繁琐的下料和划线工作，降低工件的形状误差，满足工件的加工精度。同时，夹具还能确保零件焊接的位置处于最佳状态，使焊缝达到工艺要求，保证工件的合格率。工装夹具推动了焊接结构的生产机械自动化发展进程，在一定程度上提高了生产效率。 1 细长轴加工特点及工艺流程
1.1 加工特点
细长轴具有刚性差和振动大的缺陷，不易加工。首先，刚性差使得细长轴在车削加工时容易发生变形，并引发振动，从而影响加工的精度。其次，细长轴的散热性差，会使得工件轴在热的作用下变长，在轴的两端支承固定的情况下，工件轴极易发生弯曲变形，严重会导致工件轴被卡死而无法继续加工。再次，当工件高速旋转时，在离心力的影响下，会加剧工件的弯曲和变形程度。最后，细长轴的尺寸较长，耗费加工时间，对刀具的磨损较大，容易造成一定的误差。
1.2 工艺流程
（1）加工前的准备
首先是机床的调整，应保证主轴中心与尾座顶尖中心之间的连线同导轨平行。其次跟刀架的调整也很重要，保证它的中心必须和卡盘、尾座顶尖位于一条直线，并且不同的操作者应根据自身情况调整压力，适中即可，确保有效固定工件。对于精度有较高要求的，还应增加棒料的校直工序，注意宜用热校直法，不可使用锤击。
（2）细长轴的装夹
机床加工一般轴类的工件大多采用两种方式：两顶尖和一夹一顶。考虑到细长轴轴向长度比较长，由于自身重力可能导致形变弯曲，从而使中心孔不能和顶尖良好接触，不能有效装夹，再加上切削产生的外力，很容易造成细长轴脱落。因此，为了生产安全，目前加工细长轴均采用一夹一顶的装夹方式（见图1）。进行装夹时，为了避免细长轴弯曲变形，须在卡爪内垫上直径4mm 左右的钢丝圈，保证其能自动调整；选用弹性活动顶尖，从而补偿切削热造成的伸
长量；顶尖与工件接触面压力以稍紧为宜。
图1 一夹一顶装夹方式的示意简图
（3）辅助支撑的选择
一夹一顶的装夹方式对细长轴热变形伸长量的补偿是有限的，但考虑到加工过程中切削力的存在，加上细长轴的刚性比较差，容易造成弯曲变形。因而，可采用辅助支撑来增加轴的刚度，通常采用中心架或跟刀架等工具。
（4）刀具的选择
细长轴类工件对加工精度的要求不尽相同，针对有较高加工精度的，可采用YT1515硬质合金，且保证刀刃的表面粗糙度满足精度要求，研磨平直。为了减轻切削用力造成的弯曲变形，要严格控制采用刀具的几何参数，尤其注意主偏角和前角。
2 工装夹具设计流程
机械工装夹具的设计流程包括毛坯件材料、分析毛坯结构、毛坯类型、零件切削加工工艺、车床、刀具等信息。夹具的设计阶段包括对工件的定位、夹紧、位置布局及必要的导向、辅助等方案进行设计，随后进入技术设计阶段，在该阶段除了要完成虚拟装配，合理分析夹紧力，夹具刚度与强度校核，干涉检验，误差计算，寿命评估等流程外，还要对夹具进行检测，对不合理的地方进行修改完善。如果在该阶段发现设计存在严重缺陷，则要返回第一阶段进行重新设计。夹具设计的具体阶段还包括对零部件、装配、油路图的设计制作以及明细表的绘制与标注。在夹具设计的最后阶段，要在生产过程中完成对夹具的装配、调试，并对零件结构的垂直度、平面度、圆轴度等进行三坐标检测与激光干涉光学检测，以满足加工精度要求。 3 工装夹具设计的基本原则与要求
3.1 基本原则
工装夹具的设计以安全、简单、方便、准确为原则，尽量避免冗杂繁复。夹具设计应遵守国家和所在地的法律法规，在保证质量的前提下，以工件加工过程的需要为准。在设计方案的选择上，夹具设计人员应按照以下顺序优先选择：手动、气动、液压、伺服。针对容易损坏的零件进行设计时，夹具应设计以不需要工具为原则，设计成方便更换的结构。
3.2 基本要求
由于夹具在实际加工过程中容易受到各种外力的影响，因而，对夹具的首要需求就是刚度跟强度。此外，在加工过程中，必须保证制品的完好无损，使得元件能在焊接后顺利地取出，这就要求夹具必须采用容易拆卸的焊接结构。对焊接空间要求要保证在现场工作人员的操作视野范围内，在进行夹具的焊接操作时还必须保持灵活。工装夹具除了要有良好的夹紧性能，夹紧时保持工件的固定和产品的外形、尺寸等符合要求，尽量避免误差外，还应具备高度的可靠性。 4 工装夹具设计的精度要求
工装夹具围绕工件的定位和夹紧两大因素进行设计，这是工装夹具的心脏，将直接影响夹具的质量和夹具在生产加工时的表现。定位是夹具的一个重要环节，如果在设计中夹具的定位不准确，那么在加工过程中，产品的精度就会受到影响。夹具定位包括导向定位和加工定位两种方案。常见的夹具定位方法有孔定位、面定位、外圆柱面定位。此外，工装夹具的设计还要考虑到机床的需要，根据机床的受力情况和加工条件计算来设计夹紧力。夹紧力设计不当就会引起工件的变形，精度同样无法保证。大型的焊接件对夹具本身需要的刚度跟强度的要求更高，在设计夹紧力时，各种力的平衡都需要综合考虑，综合设计。
对于夹具的设计结构，如有可能，最好采用调整型设计。经实践证明，调整型夹具在加工过程中有着巨大的优势。可调整夹具在夹具调整和装配时，可以轻而易举地对元件尺寸进行修改，同时，可调整型夹具设计还可以调整部件之间的垫圈、垫片等，通过及时调整，工件的精度可以得到保证，尽量减少误差。 5 结语
细长轴的加工工艺复杂，通过对工装夹具设计技术的探讨，有效做到安全生产，进一步提高工件的生产效率，确保加工精度满足工艺要求。伴随着科学信息技术的快速发展，计算机辅助设计和机械生产自动化是未来发展的必然趋势，借助于计算机辅助设计，未来夹具系统将会得到完善和优化，先进的夹具设计系统也必将进一步推动夹具结构设计技术的发展。 参考文献：
[1]周剑,王加文,杨淑涛.关于超长轴加工设备的改进[J].金属加工(冷加工),2008(22).
[2]赵生虎.夹具的优化设计及经济性分析研究[J].煤矿机械,2006(01). [3]陈晓荣.工装夹具在生产实践中的设计与应用[J].河南科技,2014 (08).
2015.11︱347︱
机械与设备
关于细长轴加工夹具设计的关键技术研究 关于细长轴加工夹具设计的关键技术研究
曹凯
（江阴纺织器材厂，江苏 江阴 214400）
【摘 要】随着科技的快速发展，传统的机械加工方法已无法满足零件的精度要求，生产自动化必然是未来的发展趋势.考虑到细长轴的加工很复杂，工装夹具的设计更需进一步的研究。基于此，本文系统阐述了细长轴加工的特点及工艺流程，对工装夹具设计的原则及技术要求进行了探讨，希望对细长轴加工的夹具设计有一定的借鉴意义。
【关键词】细长轴加工；夹具设计；关键技术 引言
工装夹具的主要作用是装夹工件，不仅可以有效避免焊接过程中工件产生变形，还可以通过准确定位，减少或省去繁琐的下料和划线工作，降低工件的形状误差，满足工件的加工精度。同时，夹具还能确保零件焊接的位置处于最佳状态，使焊缝达到工艺要求，保证工件的合格率。工装夹具推动了焊接结构的生产机械自动化发展进程，在一定程度上提高了生产效率。 1 细长轴加工特点及工艺流程
1.1 加工特点
细长轴具有刚性差和振动大的缺陷，不易加工。首先，刚性差使得细长轴在车削加工时容易发生变形，并引发振动，从而影响加工的精度。其次，细长轴的散热性差，会使得工件轴在热的作用下变长，在轴的两端支承固定的情况下，工件轴极易发生弯曲变形，严重会导致工件轴被卡死而无法继续加工。再次，当工件高速旋转时，在离心力的影响下，会加剧工件的弯曲和变形程度。最后，细长轴的尺寸较长，耗费加工时间，对刀具的磨损较大，容易造成一定的误差。
1.2 工艺流程
（1）加工前的准备
首先是机床的调整，应保证主轴中心与尾座顶尖中心之间的连线同导轨平行。其次跟刀架的调整也很重要，保证它的中心必须和卡盘、尾座顶尖位于一条直线，并且不同的操作者应根据自身情况调整压力，适中即可，确保有效固定工件。对于精度有较高要求的，还应增加棒料的校直工序，注意宜用热校直法，不可使用锤击。
（2）细长轴的装夹
机床加工一般轴类的工件大多采用两种方式：两顶尖和一夹一顶。考虑到细长轴轴向长度比较长，由于自身重力可能导致形变弯曲，从而使中心孔不能和顶尖良好接触，不能有效装夹，再加上切削产生的外力，很容易造成细长轴脱落。因此，为了生产安全，目前加工细长轴均采用一夹一顶的装夹方式（见图1）。进行装夹时，为了避免细长轴弯曲变形，须在卡爪内垫上直径4mm 左右的钢丝圈，保证其能自动调整；选用弹性活动顶尖，从而补偿切削热造成的伸
长量；顶尖与工件接触面压力以稍紧为宜。
图1 一夹一顶装夹方式的示意简图
（3）辅助支撑的选择
一夹一顶的装夹方式对细长轴热变形伸长量的补偿是有限的，但考虑到加工过程中切削力的存在，加上细长轴的刚性比较差，容易造成弯曲变形。因而，可采用辅助支撑来增加轴的刚度，通常采用中心架或跟刀架等工具。
（4）刀具的选择
细长轴类工件对加工精度的要求不尽相同，针对有较高加工精度的，可采用YT1515硬质合金，且保证刀刃的表面粗糙度满足精度要求，研磨平直。为了减轻切削用力造成的弯曲变形，要严格控制采用刀具的几何参数，尤其注意主偏角和前角。
2 工装夹具设计流程
机械工装夹具的设计流程包括毛坯件材料、分析毛坯结构、毛坯类型、零件切削加工工艺、车床、刀具等信息。夹具的设计阶段包括对工件的定位、夹紧、位置布局及必要的导向、辅助等方案进行设计，随后进入技术设计阶段，在该阶段除了要完成虚拟装配，合理分析夹紧力，夹具刚度与强度校核，干涉检验，误差计算，寿命评估等流程外，还要对夹具进行检测，对不合理的地方进行修改完善。如果在该阶段发现设计存在严重缺陷，则要返回第一阶段进行重新设计。夹具设计的具体阶段还包括对零部件、装配、油路图的设计制作以及明细表的绘制与标注。在夹具设计的最后阶段，要在生产过程中完成对夹具的装配、调试，并对零件结构的垂直度、平面度、圆轴度等进行三坐标检测与激光干涉光学检测，以满足加工精度要求。 3 工装夹具设计的基本原则与要求
3.1 基本原则
工装夹具的设计以安全、简单、方便、准确为原则，尽量避免冗杂繁复。夹具设计应遵守国家和所在地的法律法规，在保证质量的前提下，以工件加工过程的需要为准。在设计方案的选择上，夹具设计人员应按照以下顺序优先选择：手动、气动、液压、伺服。针对容易损坏的零件进行设计时，夹具应设计以不需要工具为原则，设计成方便更换的结构。
3.2 基本要求
由于夹具在实际加工过程中容易受到各种外力的影响，因而，对夹具的首要需求就是刚度跟强度。此外，在加工过程中，必须保证制品的完好无损，使得元件能在焊接后顺利地取出，这就要求夹具必须采用容易拆卸的焊接结构。对焊接空间要求要保证在现场工作人员的操作视野范围内，在进行夹具的焊接操作时还必须保持灵活。工装夹具除了要有良好的夹紧性能，夹紧时保持工件的固定和产品的外形、尺寸等符合要求，尽量避免误差外，还应具备高度的可靠性。 4 工装夹具设计的精度要求
工装夹具围绕工件的定位和夹紧两大因素进行设计，这是工装夹具的心脏，将直接影响夹具的质量和夹具在生产加工时的表现。定位是夹具的一个重要环节，如果在设计中夹具的定位不准确，那么在加工过程中，产品的精度就会受到影响。夹具定位包括导向定位和加工定位两种方案。常见的夹具定位方法有孔定位、面定位、外圆柱面定位。此外，工装夹具的设计还要考虑到机床的需要，根据机床的受力情况和加工条件计算来设计夹紧力。夹紧力设计不当就会引起工件的变形，精度同样无法保证。大型的焊接件对夹具本身需要的刚度跟强度的要求更高，在设计夹紧力时，各种力的平衡都需要综合考虑，综合设计。
对于夹具的设计结构，如有可能，最好采用调整型设计。经实践证明，调整型夹具在加工过程中有着巨大的优势。可调整夹具在夹具调整和装配时，可以轻而易举地对元件尺寸进行修改，同时，可调整型夹具设计还可以调整部件之间的垫圈、垫片等，通过及时调整，工件的精度可以得到保证，尽量减少误差。 5 结语
细长轴的加工工艺复杂，通过对工装夹具设计技术的探讨，有效做到安全生产，进一步提高工件的生产效率，确保加工精度满足工艺要求。伴随着科学信息技术的快速发展，计算机辅助设计和机械生产自动化是未来发展的必然趋势，借助于计算机辅助设计，未来夹具系统将会得到完善和优化，先进的夹具设计系统也必将进一步推动夹具结构设计技术的发展。 参考文献：
[1]周剑,王加文,杨淑涛.关于超长轴加工设备的改进[J].金属加工(冷加工),2008(22).
[2]赵生虎.夹具的优化设计及经济性分析研究[J].煤矿机械,2006(01). [3]陈晓荣.工装夹具在生产实践中的设计与应用[J].河南科技,2014 (08).
2015.11︱347︱