车床夹具模具设计与应用技术的探讨

裴传栋 李家强

摘 要：车床夹具能使工件准确、迅速而方便地定位并夹紧，从而能够保证产品质量，提高劳动生产率及减少劳动强度等。在车床上加工的零件基本上都是旋转体工件，因此必须要保留一个自由度才可以进行切削加工。车床加工内外锥面的夹具，采用基孔制定位，以工件的加工面为定位基准模具的设计，主要通过合理选用材料，增强模具的刚度、使用寿命，合理设计模具构造，减少冲力作用，经过机械加工、热处理等各种工序加工处理，增强模具的韧性，提高精度，使模具达到刚度强、韧性强、使用寿命长、精度高。

关键词：车床夹具；模具设计

1 前言

车床夹具是将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向和对刀，以保证工件和刀具之间相对位置关系的辅助装置，如卡盘、各种钻模等。辅助工具是将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置。工艺装备是在加工过程中使用的刀具、夹具及其他辅助工具。在机械加工中，工件的安装包括定位和夹紧两个过程。夹紧装置是机床夹具的重要组成部分，其性能对夹具的使用性能影响很大，在夹紧过程中应保持工件的良好定位，夹紧装置应结构简单、便于制造，夹紧力要可靠、适当。设计和选用夹紧装置的关键是正确地施加夹紧力，然后选用和设计适合的夹紧机构来保证实现工件可靠地夹紧。

在车床上切削加工工件技术难度较大，对车工操作技术水平及熟练程度要求较高，经常面对加工特殊工件及机床夹具模具设计应用等工作，在机械加工中采用夹具，工件加工表面的尺寸精度和位置精度主要是由夹具来保证。夹具能使工件准确、迅速而方便地定位并夹紧，从而能保证产品质量，提高劳动生产率及减少劳动强度等。采用预先调整好的机床和刀具来加工，就可稳定地获得加工精度，特别是在成批、大量生产中能比较容易地保证零件的互换性。以下是总结出的在车床上夹具模具设计应用等的常用方法。

2 主要设计原理

在机床机械加工工艺过程中，夹具设计的基本原则是经济和适用。车床上加工的零件基本上都是旋转体工件，因此必须要保留一个自由度才可以进行切削，工件的外圆加工精度要和夹具的内孔精度保持一致。

夹具的设计标准是好使用、好制造、好维修。这种方式就是中心定位基准与中心定件的装卡原理，同时也完全符合了六点定位法则原理，即利用中心定位基准与中心定件消除了旋转体的5个自由度，即绕OX、OZ向的转动自由度和OX、OZ的平行移动，通过压帽的锁紧可以消除一个自由度，即OY的平行移动。凡在车床上加工的零件多为旋转体工件，要保留一个自由度才可以进行切削加工。使用可靠的夹具，能够保证加工质量，实现相互位置精度的保证、精度一致性的保证等。

工件可以近似地看作一个自由刚体，要使工件在某个方向有确定的位置，就必须限制该方向的自由度，当工件的6个自由度都被限制后，在空间的位置就完全确定下来。工件在加夹具中的位置有6个自由度，要限制这6个自由度需要在夹具上按一定要求，布置6个支撑点或相当于支撑点的定位件与工件紧密接触或配合，其中每一个支撑点相应地消除一个自由度，从而使工件在夹具中占有一个确定的位置。

3 结构设计要点

在机械加工过程中，除机床等设备外，还大量使用各种工艺装备，包括夹具、模具、刀具、辅助工具及测量工具等。夹具设计的基本原则是经济和适用。夹具的设计标准是好使用、好制造、好维修。在夹具的设计中根据六点定位法则按照运动学的概念，工件在空间对于3个互相垂直的坐标平面来说都有6个自由度，即绕OX、OY、OZ 3个轴线的转动和沿3个轴线的平行移动。又根据夹具坐标系统工件上定位基准与夹具上定位的对应关系，中心定位基准与中心定件的原理，六点定位也适用于其他形状的工件，只是定位支撑点的分布方式有差别。在实际定位中，定位支撑点的数量及布置需要从定位元件所能限制的自由度数目来分析它是几点定位，定位支撑点并不一定就是一个真正的点，也可能是一条线段或一小块面积。有时夹具上增设支撑点，限制工件余下的自由度是为了承受切削力、夹紧力等需要。

为保证工件内外加工面的加工精度，其形状和位置公差必须符合设计要求，关键部位尺寸的同轴度误差控制在±0.02mm 之内，垂直度误差控制在±0.01mm之内。加工高精度工件时，要求主轴与刀具的运动之间保持非常准确的传动比，这种传动比的准确程度即为运动精度。为了能车削加工出高精度的零件，车床在布局、传动、结构、制造精度以及使用条件等各方面都采取了有效措施，使车床具有高的传动精度、主轴旋转精度以及刀架运动的直线性，并使其运动平稳，热变形小，从而保证工件具有高的中径圆度以及良好的表面粗糙度。此外，车床主轴支撑在旋转精度很高的轴承中，具有高的旋转精度，采用双列滚子轴承作为主轴前轴承。驱动电动机安放在地基上，以减少电机振动对机床加工的影响，主轴传动较平稳。

卡盘是在机床中比较经常使用的夹具，有三爪卡盘或四爪卡盘，工件主要是圆柱回转体工件以及多棱柱回转体工件形式。由于圆锥体锥形母线的原因，装夹基准不稳定，在机床装卡被加工的工件时比较困难，因此，配套完善了车床加工内外锥面的夹具。车床加工内外锥面的夹具，采用基孔制定位，以工件的加工面为定位基准，同时保证其加工精度以及形状公差和位置公差等相关要求。对工件加工模具的设计，为增强模具的刚度、使用寿命，应通过合理选用材料、合理设计模具构造以减少冲力作用。同时，经过机械加工、热处理等各种工序的加工处理，增强模具的韧性，提高精度，进一步提高模具的刚度及韧性，提高其精度，延长其使用寿命。

4 应用分析

用夹具装夹工件，缩短了安装工件的时间，避免了工件逐步找正和对刀，容易实现多件、多工位加工，缩短辅助工作时间，降低生产成本，降低了车削过程的工作量劳动强度。夹具模具的设计与现场使用，解决了以往模具加工制作中经常出现的问题，减少了该模具设计及制作方面的问题，降低了机械加工成本费用，同时减轻了工件的重量。经过实际验证表明，此模具结构设计合理，工作性能稳定可靠，质量符合技术规范要求，提高工作效率近3倍。设计与加工保证了设计要求及加工精度，又符合夹具设计的合理原则和六点定位的法则，在实际的使用过程中完全达到了理想程度。

参考文献

[1]庞怀玉.机械制造工艺学[M].机械工业出版社，1998.

（作者单位：大庆油田井下作业分公司特种设备修理厂）