薄壁齒輪作為機(jī)械傳動中的重要部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊﹑質(zhì)量輕﹑傳動效率高的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天﹑汽車﹑機(jī)床等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，然而，由于其壁薄﹑剛性差的特點(diǎn)，加工過程中易產(chǎn)生變形，給加工精度和效率帶來挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)車工加工薄壁齒輪時使用數(shù)控車床，而數(shù)控車床上使用的是液壓動力卡盤，裝夾時要依靠操作人員手動對薄壁齒輪進(jìn)行調(diào)平，以保證薄壁齒輪安裝后的平行度，然而在實(shí)際生產(chǎn)中遇到(見圖 1)薄壁零件，在加工時三爪夾緊該薄壁齒輪的外圓后(見圖 2)，卡爪夾緊力使得薄壁齒輪端面發(fā)生輕微變形，導(dǎo)致車削后薄壁齒輪平行度偏大。將液壓動力卡盤壓力調(diào)小后，平行度有所提高，但在加工過程中薄壁齒輪容易掉落，存在安全隱患。因此，本文通過實(shí)際加工一種零件為典型案例，從遇到問題，分析問題，解決問題為主線，以設(shè)計(jì)新型薄壁車工夾具為中心展開論證，為提升薄壁齒輪的加工質(zhì)量提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。
一、夾具設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求
通過設(shè)計(jì)新型薄壁車工夾具，車工加工后薄壁齒輪端面平形度小于 0.04 mm，滿足工藝要求，并且加工后端面平行度過程能力 CPK 值由原來的最高 0.97 變?yōu)?1.67 以上。新設(shè)計(jì)的夾具既能保證薄壁齒輪端面平行度，又能方便操作人員使用。
薄壁齒輪孔徑大、壁很薄、徑向剛度很弱，在加工過程中受切削力，切削熱及夾緊力等因素影響，極易變形，導(dǎo)致端面平行度，孔軸線與端面的垂直度以及內(nèi)外圓之間的同軸度難以保證，本研究力求設(shè)計(jì)出滿足工藝要求、操作簡單、制造成本低的車用夾具。
二、夾具設(shè)計(jì)原則
針對車床工作時夾具和工件隨機(jī)床主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，具有離心力和不平衡慣量，考慮到零件薄壁齒輪的加工特點(diǎn)，夾具設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：結(jié)構(gòu)力求緊湊，簡單，質(zhì)量盡可能輕;夾具與機(jī)床主軸聯(lián)結(jié)要安全可靠;調(diào)整簡單，操作方便，一次投入長期使用;避開了機(jī)床徑向夾緊力，利用端面壓緊方式;設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，可在行業(yè)內(nèi)普遍推廣。
此外夾具應(yīng)具有足夠的剛性和穩(wěn)定性，以抵抗切削力和熱應(yīng)力，減少工件變形。應(yīng)確保工件的定位精度，減少加工誤差。夾具制造成本低，方便制造。
車床夾具多為心軸類與卡盤類夾具，常以工件的內(nèi)孔或外圓表面作為定位基準(zhǔn)。因此，在這些夾具中，為確定工件基準(zhǔn)孔或外圓的正確位置所采用的定位元件的尺寸及形位公差，必須標(biāo)注這類夾具的主要技術(shù)條件：與工件配合的圓柱面(即定位表面)的軸線與工件軸線的同軸度;定位表面與其軸向配合部分的同軸度;夾具定位表面對夾具在機(jī)床上安裝定位基面的垂直度或平行度。
根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)心軸類夾具，心軸類夾具按其定位部分的結(jié)構(gòu)形式分為剛性心軸和彈性心軸兩種。剛性心軸與工件定位基準(zhǔn)孔之間保持一定的配合間隙，配合間隙愈小，定位精度愈高。彈性心軸和工件基準(zhǔn)孔之間的配合間隙，靠定位部分的均勻漲開消除。本文介紹的車用心軸為鋼性心軸，用于熱處理之前精車工序，主要采用零件內(nèi)容為基準(zhǔn)，端面定位展開夾具設(shè)計(jì)。
三、夾具結(jié)構(gòu)分析
一種薄壁齒輪車工夾具，以提高車工加工后薄壁齒輪的平行度。其結(jié)構(gòu)見圖 3，包括心軸 1、壓墊 2 和螺母 3;心軸 1 包括用于被夾爪 102.1 夾持的夾持段、用于穿過薄壁齒輪內(nèi)孔的定位段以及用于與壓墊 2 和螺母 3 連接的連接段;壓墊 2 的直徑與薄壁齒輪定位孔的內(nèi)徑配合;螺母 3 螺紋連接在心軸 1 的連接段上，將壓墊 2 壓緊在薄壁齒輪定位孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)定位，壓墊 2 與心軸 1 的定位段將薄壁齒輪 101 夾緊。上述薄壁齒輪車工夾具，還包括位于壓墊 2 和螺母 3 之間的墊片 4，以分散螺母 3 對壓墊 2 的壓力。心軸 1 與薄壁齒輪內(nèi)孔間隙配合，心軸 1 由剛性材料制成。
帶肩心軸一般采用球面螺母壓緊，但因球面螺母熱處理后有變形，擰緊螺母時工件會產(chǎn)生偏位，因此當(dāng)工件端面對軸線的垂直度要求較高時，宜用平肩螺母。平肩螺母除由工藝保證其端面與螺紋垂直外，螺紋應(yīng)是松動配合，以補(bǔ)償螺紋的歪斜。
四、夾具實(shí)施方式
精車第一序時采用寬邊三爪先夾持薄壁齒輪外圓將薄壁齒輪內(nèi)孔車到圖紙要求，且用反車刀將左端面加工到圖紙要求尺寸，作為精車第二序時薄壁齒輪定位孔(見圖 4);精車第二序時將心軸 1 夾在三爪卡盤 102 上找正、夾緊，然后將薄壁齒輪 101 裝在心軸 1 上，裝好壓墊 2，用螺母 3 擰緊后(見圖 3)，加工薄壁齒輪 101 兩端面(見圖 5)，每次加工完只需松螺母 3 裝夾薄壁齒輪 101，心軸 1 固定在三爪卡盤 102 上不動。
上述薄壁齒輪車工夾具利用三爪卡盤 102 的自定心功能特點(diǎn)，以內(nèi)孔和端面定位方式設(shè)計(jì)車削夾具，由于薄壁齒輪 101 在精車加工過程內(nèi)孔、端面和外圓一次裝夾、一次加工，可保證薄壁齒輪 101 內(nèi)外圓的同軸度和端面的垂直度。
五、效果驗(yàn)證
采用薄壁齒輪車工夾具后，薄壁齒輪端面平行度有效控制在工藝范圍，端面平行度過程能力 CPK 值 從 0.97 提升為 1.93，具體見圖 6 和圖 7，夾具調(diào)整簡單，操作方便，一次投入長期使用，避開了機(jī)床徑向夾緊力，利用端面壓緊方式，降低加工廢損，提高質(zhì)量，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，可在行業(yè)內(nèi)普遍推廣。
六、本實(shí)用新型夾具效果
1)使用本文夾具前平行度不穩(wěn)定，有的超了上限0.04 mm，使用本文車用夾具后過程穩(wěn)定，平行度小于等于 0.025 mm。
2)使用本文夾具前端面平行度過程能力 CPK 值不到 1，使用本文夾具后端面平行度過程能力 CPK 值在 1.67 以上。
3)使用本文夾具后，不僅降低了每月廢損，而且避免了薄壁齒輪因平行度超差造成的三包索賠，每月可節(jié)約 1 萬多元，并且保證質(zhì)量，提高了信譽(yù)度。
4)該夾具設(shè)計(jì)可以推廣同類產(chǎn)品使用，解決類似薄壁齒輪車工加工難問題，擴(kuò)大企業(yè)可生產(chǎn)產(chǎn)品類型。
七、結(jié)語
上述薄壁齒輪車工夾具在解決端面平行度差問題的同時，有效避免端面振紋產(chǎn)生，夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，加工工藝性好，可靠性穩(wěn)定，方便操作，一次投入長期使用，避開了機(jī)床徑向夾緊力，利用端面壓緊方式;降低加工廢損，提高質(zhì)量，在保證質(zhì)量的同時，可降低工件的加工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，可在行業(yè)內(nèi)普遍推廣。
參考文獻(xiàn)略.