齿轮加工中弹簧夹具的设计和应用效果分析
2019-1-16 来源： 茂名技师学院 作者：阮小燕
摘要：在机床中广泛使用弹簧夹具，其适应了工业化发展需求，使生产具有了高效性与经济性，本文介绍了弹簧夹具的概况，重点探讨了其在齿轮加工中的设计及应用。
关键词：齿轮加工；弹簧夹具；设计；应用
随着制造业的发展，为了适应激烈的市场竞争，满足顾客的实际需求，各企业更加关注产品质量及投资效率，而产品的快速切换需要夹具支持。当今，弹簧夹具在制造业中的重要性日渐显著，为了充分发挥其作用，本文探讨了其在齿轮加工中的设计与运用。
1 、弹簧夹具的概况
机床夹具是由夹具体、夹紧件、导向件及定位件等构成的，其中弹性部分为定位件。弹簧夹具的功能为：一是，提高了工件精度与质量；二是保证了生产效率，控制了加工成本；三是，扩展了工艺范围，降低了劳动强度及操作难度、增加了操作安全性。
弹簧夹具以工艺过程为依据，可以划分为机床、装配、焊接机检测夹具；以机床类型为依据，可分为车床、滚齿、剃齿、插齿、钻床、铣床、磨床等夹具；以通用程度为依据，可分为通用与专用夹具；以夹具方式为依据，可分为手动、液压与气动夹具。
2 、齿轮加工中弹簧夹具的设计
在设计夹具过程中应遵循以下要求，即：工件加工后，其尺寸与精度均要满足既定要求。传统设计仅关注一维精度，为了进一步提高工件精度，有关的二维、三维精度得到了高度关注。
2.1 设计流程
一是分析图纸，全面了解图纸中的各种信息，实际分析中应包括图纸、生产现状，如设备、加工工艺、制造方式等，特别关注图纸精度；二是明确加工时各定位面与加工面，由图纸转变为实物中最为重要的一步便是确定定位面，其作为关键性内容，直接关系着设计工装效果，通过对各定位面研究，选取最优面，此后，选择夹紧方案，此时应综合考量工件变形、工装设计等内容；三是绘制夹具体结构图，设计人员应对工装结构有基本认识，在结合具体情况展开针对性设计，保证各零件图均满足总体要求，待确定装配图后，对各零部件展开设计，尤其应关注各配件的衔接、定位及限位等，以此保证工装精度；四是，选取工装材料，设计人员应了解夹具材料，保证其可自如弹收，在此基础上，方可满足工装要求。
2.2 设计环节
（1）前期准备。设计人员应了解夹具设计目的及实现功能，此后对有关资料进行收集与分析，以此确保夹具效益的最大化。具体信息包括夹具服务的对象，掌握其功能、精度等，夹具所处工作环境以及有关标准等，待各类信息均全面收集后，将其融入到实际设计，从而保证了夹具的经济性、实用性与可靠性。为了保证弹性夹具设计精度，设计人员应关注工件加工精度，在实际评价中最为重要的指标便是加工误差，此外差异化的定位基准对加工误差也有一定的影响，如果定位基准和设计、测量基础不同，则会出现分析误差。此外，设计人员应对加工零件的工艺展开分析，了解其所需设备、刀具等，以此为依据设计适合的加工参数。
（2）方案选取。一方面，定位方案，夹具的定位支承系统承担着众多的力，如压力、拉力、夹紧力与切削力等，为了确保加工零件精度，设计时应坚持六点定位原则，避免发生过定位或者欠定位，选取和工艺、设计基准一致的基准，以此避免误差出现，另外，还应保证定位面大、定位可靠面视为基准面，再者，定位支承系统应拥有一定的尺寸精度，各工序均应拥有相似的定位基准。另一方面，夹紧方面，设计过程中应保证工件安装、定位可靠，在保证工件精度前提下，尽量增加夹紧力，并要具备自锁功能。此外，在确保夹具安全、可靠条件下，尽可能提高夹具效率，如自动加紧、松开等，以此适应批量生产需求。通常，夹紧装置包括力源装置、中间辅具传递机构及夹紧元件等。在实际时以弹性定心夹紧机构为主，其优势显著，如较小的夹紧行程与较高的定位精度等。
（3）总装配图。在实际绘制时，应以有关规定为依据，采取 1:1、1:2 或 1:5 的比例，以此保证其规范性、标准性与直观性、可视性。通常，以主视图法进行绘制，在总装配图中定位支承系统元件主要有两个，一个为定位支承元件，另一个为限位支承元件，前者齿轮类产品以内孔为定位基准，如图 1 所示，后者以刀具加工范围确定其位置与限位方式。
图 1 齿轮类弹性夹具以内孔为定位基准
（4）工艺分析。弹簧夹具选取的材料应满足国家标准要求，以定位元件为例，可使用低碳钢，热处理要求为渗碳、淬火，回火 58 ～ 64HRC 等；夹紧零件，可使用 65Mn、T10A、9Si Cr 等材料，热处理均应包括淬火，回火在 40 ～ 62HRC。在冷热加工中铸件与锻件等禁止有缺陷，如气孔、皱折等，焊缝处无气孔、杂质等，磨削后无烧伤与龟裂等；同时，热处理加工前应基于退火、正火等处理，此后零件禁止出现裂纹、退火等。
3 、齿轮加工中弹簧夹具的运用
3.1 数控车床
弹簧夹具应用于 CK7520 中，其结构如图 2 所示。在设计中以工件内孔尺寸为依据，确定了弹性夹具定位部分尺寸，具体为 90（-0.011/-0.018），利用法兰、螺栓紧固沉孔。该夹具选用了 20 度的内孔锥面，其可有效配合外锥面拉杆，弹性部位的薄壁为 2mm。在实际使用过程中弹簧心轴应和机床液压系统间拥有连接盘，其与弹簧心轴经螺栓连接与紧固，在连接过程中应找正弹簧夹具，安装成功后，对其进行检验。在拉紧弹簧夹具过程中，经内锥与外锥心轴配合实现了工作，在松开时，二者处于脱离状态。
图 2 数控车床中应用弹簧夹具结构图
3.2 普通车床
普通车床 C620 在安装弹簧夹具过程中锥心轴应采用通用模式连接法兰，此后，对外圆跳动进行检查，尽量保持在 0.005mm 内，以此保证心轴和设备成功连接，待连接完成后，安装弹簧套，利用弹开垫圈，保证工件有效松开，此后，对拉杆、垫片与螺母等进行安装，其中垫片和弹簧套件应无移动间隙。再安装工件，其处于弹簧套外圆。经实践证实，弹簧夹具或锥心轴左右移动，均具有可行性（图 3）。
图 3 普通车床中弹簧夹具的应用
3.3 滚齿机
在机械加工中滚齿具有常见性，因此，其夹具设计十分关键。在设计过程中以不同设备为依据，设计各异的工装。经调查发现，普通滚齿机的夹具设计具有简便性，通过纯手工方法，安装上下垫、螺母与滚胎，其难以设计弹簧夹具，因此，以数控滚齿机为研究对象，其工装为直心轴与上下垫，主要是借助滚齿机液压系统夹紧实现的，此时的心轴缺点明显，即：装夹困难、劳动强度大，为了弥补其不足，随之出现了弹簧夹具，其结果如图 4 所示。
图 4 滚齿弹簧夹具结构图
根据图 4 可知，滚齿弹簧夹具是由 3 部分构成的，其中上部分发挥着压紧作用，中间部分为衔接、下部分为稳定。各零件和机床连接后，加工时均处于固定状态，从而保证了工件稳定性。经应用实践显示，该夹具的优点为：第一，较强的自动化，在机床自动升降工件上，减少了劳动强度；第二，良好的准确性，因弹簧套具备涨开功能，其消除了工件内孔和工装安装间的间隙，从而提高了其定位精准性与可靠性；第三，高质量及便捷性，加工工件符合了工艺要求，弹簧套便于安装与取下。但它也存在不足，即缺少经济性。
4 、结语
综上所述，在齿轮加工中应用弹簧夹具成效显著，不仅保证了加工质量，还提高了生产效率，为了有效发挥弹簧夹具作用，本文对其构成、类型及设计展开了重点探讨，日后实践中应大力推广弹簧夹。
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