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箱体零件的加工工艺规程及其夹具设计
4. 零件的车床夹具设计
4.1车床夹具设计
车床夹具主要用于零件的旋转表面以及端面。因而车床夹具的主要特点是工件加工表面的中心线与机床主轴的回转轴线同轴。 4.1.1车床夹具的主要类型
（1） 安装在车床主轴上的夹具。这类夹具很多，有通用的三爪卡盘、四爪卡盘，花盘，顶尖等，还有自行设计的心轴；专用夹具通常可分为心轴式、夹头式、卡盘式、角铁式和花盘式。这类夹具的特点是加工时随机床主轴一起旋转，刀具做进给运动。
定心式车床夹具：在定心式车床夹具上，工件常以孔或外圆定位，夹具采用定心夹紧机构。
角铁式车床夹具：在车床上加工箱体、支座、杠杆、接头等零件的回转端面时，由于零件形状较复杂，难以装夹在通用卡盘上，因而须设计专用夹具。这种夹具的夹具体呈角铁状，故称其为角铁式车床夹具。
花盘式车床夹具：这类夹具的夹具体称花盘，上面开有若干个T形槽，安装定位元件、夹紧元件和分度元件等辅助元件，可加工形状复杂工件的外圆和内孔。这类夹具不对称，要注意平衡。
（2） 安装在托板上的夹具。某些重型、畸形工件，常常将夹具安装在托板上。刀具则安装在车床主轴上做旋转运动，夹具做进给运动。
由于后一类夹具应用很少，属于机床改装范畴。而生产中需自行设计的较多是安装在车床主轴上的专用夹具，所以箱体零件在车床上加工用专用夹具。 4.1.2车床夹具的设计要点
（1）定位装置的设计特点和夹紧装置的设计要求
当加工回转表面时，要求工件加工面的轴线与机床主轴轴线重合，夹具上定位装置的结构和布置必须保证这一点。
当加工的表面与工序基准之间有尺寸联系或相互位置精度要求时，则应以夹具的回
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转轴线为基准来确定定位元件的位置。
工件的夹紧应可靠。由于加工时工件和夹具一起随主轴高速回转，故在加工过程中工件除受切削力矩的作用外，整个夹具还要受到重力和离心力的作用，转速越高离心力越大，这些力不仅降低夹紧力，同时会使主轴振动。因此，夹紧机构必须具有足够的夹紧力，自锁性能好，以防止工件在加工过程中移动或发生事故。对于角铁式夹具，夹紧力的施力方式要注意防止引起夹具变形。
（2）夹具找正基准的设置
为保证车床夹具的安装精度，安装时应对夹具的限制基面仔细找正。若限为基面偏离回转中心，则应在夹具体上专门制一个孔（或外圆）作为找正基面，使该面与机床主轴同轴，同时它也作为夹具设计、装配和测量基准。为保证加工精度，车床夹具的设计中心与主轴回转中心的同轴度应控制在0.01mm之内，限制端面对主轴回转中心的跳动量也不应大于0.01mm。
（3）定位元件的设计
在车床上加工回转表面，要求工件加工面的轴线必须和车床主轴的旋线重合。夹具上定位元件的结构设计与布置，必须保证工件的定位基面、加工面和机床主轴三者的轴线重合。特别对于如支座、箱体等工件，由于其被加工回转表面与工序基准之间有尺寸或相互位置精度要求，因此应以机床夹具的回转轴线为基准来确定夹具定位工作表面的位置。
（4）夹具的平衡
对角铁式、花盘式等结构不对称的车床夹具，设计时应采取平衡措施，使夹具的重心落在主轴回转轴线上，以减少主轴轴承的磨损，避免因离心力产生振动而影响加工质量和刀具寿命。平衡的方法有两种：设置配重块或加工减重块。配重块上应开有弧形槽或径向槽，以便于调整配重块的位置。 4.1.3箱体零件的车床专用夹具的总体设计
（1） 夹具的总体结构应力力求紧凑、轻便，悬臂尺寸要短，重心尽可能靠近主轴。 （2） 当工件和夹具上个元件相对机床主轴的旋转轴线不平衡时，将产生较大的离心力和振动，影响工件的加工质量、刀具的寿命、机床的精度和安全生产，特别是在转速较高的情况下影响更大。因此，对于重量不对称的夹具，要有平衡要求。平衡的方法有两种：设置平衡块或加工减重孔。在工厂实际生产中，常用适配的方法进行夹具的平衡工作。
（3）为了保证安全，夹具上各种元件一般不超过夹具的圆形轮廓之外。因此，还应该注意防止切削和冷却液的飞溅问题，必要时应该加防护罩。
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4.2问题的提出
利用本夹具主要用来粗车左右端面，在粗车左右端面时，其他都是未加工表面。为了保证技术要求，最关键是找到定位基准。同时，应考虑如何提高劳动生产率和降低劳动强度，如下图所示：
图5.1 工序图
4.3定位基准的选择
由零件图可知：粗车左右端面只有长度尺寸要求，其设计基准为零件左端面，限制了左右方向上的自由度，这样设计基准和工艺基准统一 ，符合基准统一原则。为了使定位误差达到要求的范围之内，在此通过心轴左端支撑零件及弹性套筒胀紧零件，限制3个自由度，从而保证零件的定位误差在较小范围内，这种定位在结构上简单易操作。
4.4切削力及夹紧力的计算
（1）切削力的计算
由《切削用量手册》表22（车削时切削力及切削功率的计算公式）查得计算公式：主切削力 Fz?9.81?60nFz×CFz×apx×
FzfyFz×yFy×
vnvFz×kFz(N) （5.1）
径向切削力 Fy?9.81×60轴向切削力 Fx?9.81×60nFy×CFy×apx×fFyvnFy×kFy(N) （5.2）
nFy×CFx×apx×
FxfyFx×nFx×k(N) （5.3）
Fx
其中系数与指数分别为CFz=367，xFz=0.72，yFz=0.8，nFz=0，CFy=142，xFy=0.73，yFy=0.67，
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nFy=0，CFx=294，xFx=1.0，yFx=0.5，nFx=-0.4，v=122。
根据《切削用量简明手册》（第三版）表1.4，当刀杆尺寸为16mm×25mm, σp≤3mm以及工件直径为90mm时：
f=0.5~0.7mm/r
按C620-1车床说明书，现取f=0.5mm/r。
由于车削单边余量为1.6mm，一次走刀就能完成，所以取ap=1.6。
由《切削用量手册》表22-1（钢和铸铁的强度和硬度改变时切削力的修正系数kMF）查得计算公式5.4：
kMF??p?????0.673?nf
（5.4）
其中nF=0.75（指数），σp =0.628（材料硬度）。 故kMF=0.949。 代入公式得：
主切削力 FZ=9.81×60nFy×CFz×apx×
FzfyFz×vnFz×kFz
=9.81×600×367×1.60.72×0.50.8×1220×0.949 =2748(N) 径向切削力 Fy=9.81×60nFy×CFy×apx×
FyfyFy×vnFy×kFy
=9.81×600×142×1.60.73×0.50.67×1220×0.949 =1172(N) 轴向切削力 Fx=9.81×60nFy×CFx×apx×
FxfyFx×vnFx×kFx
=9.81×60-0.4×294×1.61×0.50.5×122-0.4×0.949 =600(N) （2）夹紧力的计算 查《切削手册》表3.28得
F?cvapffzfaefzndwfqf0xyu （5.5）
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式中cf＝650，ap＝1.6, Xf＝1.0，fz＝0.08，Yf＝0.72，ｚ＝20，ae＝40，
uf＝0.86，d0＝225，qf＝0.86，wf＝0 代入公式进算得
Ｆ＝750（Ｎ）
计算切削力时，需考虑安全系数Ｋ
Ｋ＝k1× k2×k3× k4 （5.6）
式中 k1—基本安全系数1.5 k2―加工性质系数1.1 k3―刀具钝化系数1.1 k4―断续切削系数1.1
则F'＝ＫF＝1.5×1.1×1.1×1.1×750＝1500（Ｎ） f1＝f2＝0.25 N?FK＝3000（Ｎ） （5.7） f2?f1 根据《工艺手册》，弹性套筒的最大夹紧力Nf＝8345（Ｎ）,此时Nf已大于3000Ｎ的夹紧力，故本夹具可安全工作。
4.5夹具结构及定位误差的分析
由于生产类型为小批生产，故考虑成本节约，使用手动加紧机构，采用手动弹簧芯轴机构进行其内孔的定位加紧，工件以φ20mm通孔在弹性套筒和心轴端面上定位，旋紧螺母，通过椎体和锥套使弹性套筒产生向外均匀的弹性变形，将工件胀紧，实现对工件的定心夹紧。如下图所示：
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