轴类零件加工技术及夹具设计

黄岩松++魏书琦

摘 要：夹具是机械加工工艺系统中的重要组成部分。工件通过夹具在机床上得到了准确位置，并在加工过程中始终保持这一准确位置不变，所以夹具的可靠性的高低直接决定工件加工质量的好坏。

关键词：轴类零件；夹具；技术

1.轴类零件的加工技术要求

1.1应明确轴类零件尺寸的精度

在轴类零件轴颈选择过程中，为了确保其支撑作用，应选择IT5-7精度较高的轴颈；如果主要是作为装配传动件，应选择IT6-9精确度较低的轴颈。

1.2应注意几何形状精度

外锥面、轴颈等轴型的圆柱度以及圆度也即是轴类零件几何形状精度，一般的轴类零件正常的话会将轴类零件几何形状精度控制在允许的尺寸公差范围内。如果是内外圆表面，对轴类零件的几何形状精度具有较高的要求，应在工艺图纸中将有效的误差范围明确表示出来。

1.3应注意相互位置精度

轴类零件在整个机械运行系统中的位置及其功能主要决定了其的位置精度。轴类零件的精度通常情况下必须达到装配传动件轴颈对支撑轴颈的需要（要求同軸度），若未达到该项需要，会使传动齿轮之间产生一定的磨合误差，对机械的传动效果产生较大影响。通常情况下，轴类零件的径向跳动范围最小为0.01mm，最大为0.03mm。若相互位置精度具有较高要求，则最小的径向跳动范围会缩小到0.001mm，最大为0.005mm。

1.4应注意表面粗糙程度

通常情况下，支撑轴颈（主要用于配合轴承）表面粗糙程度最小为Ra0.63μm，最大为Ra0.16μm。而传动配件轴颈的表面粗糙度范围则相对偏大，介于Ra2.5μm-Ra0.63μm左右。

2.轴类零件加工工艺

轴类零件工艺规程的合理制定非常重要，在机械加工工艺规程中应注意以下几点：

（1）技术标准

熟练掌握关于该零件的相关技术标准（包括制作材质、精度要求、结构设置等），同时应仔细研究相关的验收标准（包括零件、部件装配图纸以及产品等）。

（2）应选择粗基准

如果是零件表面为非加工表面，则粗基准就应选择非加工表面。若所有零件表面为铸件轴，均需加工，则应进行找正处理，找正处理中应按照所加工的最小余量表面进行处理，并且加工零件应尽可能选择表面比较平整的零件，应注意零件的浇口结合处。粗基准应尽量选择表面稳定的，且只可一次性使用。

（3）选择精基准

应根据基准重合原则选择精基准，同时应选择精度较高、安装较稳定可靠的表面，其定位基准应该尽可能选择装配基准或者设计基准，并且使所有工序中使用的定位基准尽量保持一致，最大限度的确保该定位基准能够重合测量基准。

3.夹具的分类

随着机械制造业的不断发展，机床夹具的种类日趋繁多，常可按照应用范围、使用机床、夹具动力源来分类。

3.1按应用范围分类

根据夹具在不同生产类型中的通用特性，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调整夹具和组合夹具等。

（1）通用夹具

通用夹具的结构、尺寸已经标准化，无需特殊调整就可用来加工一定范围内的不同工件，具有一定的通用性。常用的通用夹具包括：万能分度头、机用虎钳、三爪自定心卡盘、顶尖、中心架和磁力工作台等。

在单件小批量生产时，可考虑采用此类夹具。该类夹具的精度较低，在装夹、找正和夹紧过程中，要求工人的技术必须熟练，而且对于结构和工艺较复杂的工件较难装夹。

（2）专用夹具

专用夹具是专为某一工件的某道工序设计制造的夹具。专用夹具只用于某种零件装夹，因此无需考虑通用性，可做成整体结构以提高夹具精度。专用夹具的设计制造一般需要1～2个月，设计周期较长、投资较大，但生产率和加工精度较高，所以常用在产品相对稳定、批量较大的生产中。在单件小批量生产中，如果工件的结构与工艺特征比较复杂、加工精度要求较高时，也可考虑采用专用夹具。

（3）可调整夹具

通过调整或更换个别零部件，能适用多种工件加工的夹具，称为可调整夹具。可调整夹具是针对通用夹具和专用夹具的不足而发展起来的一类新型夹具。它与专用夹具的根本区别在于，它适用于不同工件的安装。可调整夹具分为两部分：基本部分和可调整部分。基本部分是不变的，但可调整部分可根据加工对象的改变，作相应的调整或调换。因此对于不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。

（4）组合夹具

组合夹具由一套预先制造好的的标准元件及部件组装而成，一般是为某一工件的某一工序组装的。夹具用完可拆卸，清洗后留待组装新的夹具。因此，它把专用夹具的设计、制造、使用、报废的过程变为组装、拆散、清洗入库、再组装的循环利用过程。这样可用几个小时的组装周期代替几个月的设计制造周期，从而可缩短生产准备周期，并且元件能重复多次使用，节省了工时和材料，特别适用于新产品试制和多品种小批量生产。因此，近年来组合夹具发展迅速，应用较广。组合夹具的主要缺点是体积较大，在结构上往往刚性不足，精度上很难达到IT7级以上，而且一次投资多，使得组合夹具的推广应用受到一定的限制。

3.2按使用机床分类

夹具按使用机床不同，可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹具、数控机床夹具以及其他机床夹具等。

3.3按夹具动力源分类

按夹具动力源分类，可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具以及真空夹具等。

4.定位原理及提高定位精度措施

4.1定位原理

在空间三个互相垂直的坐标系中，工件有六个自由度，要使其位置确定，必须设置六个仅且需要设置六个约束来限制自由度。要使工件在夹具上完全定位，必须在夹具上设置六个约束来限制工件自由度，这种方法称为“六点定位”。

应用六点定位原理，工件在夹具上的定位方法有多种，典型的方法有：三平面定位、一面两销定位、内孔和端面组合定位、外圆柱面和端面组合定位等。

4.2提高定位面定位精度的措施

（1）辅助支撑机构

由于机体轮廓尺寸较大，三点平面极易产生刚性不足现象，在夹压和切削过程中产生弯曲和震动，轻则影响工件加工质量，重则产生打刀现象破坏刀具。所以必须增加辅助支撑机构。

（2）定位面冲屑机构

在工程实际中环境因素影响定位精度。在输送吊装过程中工件底面可能粘有铁屑等杂物，吊装过程中夹具定位面可能落有铁屑等杂物。这些雜物如得不到及时清理，可能影响甚至破坏定位。因此采用了冲洗定位面的方法。

其工作原理：工件下落过程中用0.3？0.5Mpa的水柱射向工件定位面，冲洗工件定位面，水柱折射返回后冲洗夹具定位面。水柱的发射点一般设在夹具定位块的侧面，射流方向与夹具定位面不垂直。

（3）定位面气隙检查机构

定位面经过冲洗后定位，需要在切削前进一步确定是否完全定位，此时仅凭人工观察是无法确定，需要专门化的机构来检测。这就是定位面气隙检查机构。

4.3提高定位销定位精度的措施

定位后工件的转角误差变化范围广，而且随机性比较大，误差不宜控制。为保证工件加工合格需要减小转角误差。如果用提高定位零件的精度来达到减小转角误差的方法，其结果是设备成本急剧提高而收效甚微。所以采用推靠定位销的方法，这种方法就是在工件定位后，给工件一个推力使工件侧向移动，两个工件定位销孔的母线与定位销的母线在同侧相接触，这样就将原来随机变化的转角误差转化为一个位移误差和一个转角误差。

5.夹紧机构

工件在夹具上完全定位后，并不是不能移动的。如在本夹具的一面两销定位机构中，虽然工件在主平面中定位，但施加外力可以使工件脱离主平面，破坏了原有的定位。为保证在加工过程中的切削力作用下，工件的位置始终不变和不发生振动，夹具需设夹紧机构。

5.1夹紧力遵循的原则

（1）夹紧力的大小

夹紧力的大小要足够抵消切削过程中的外力总和，同时不能使工件自身发生压变形、压溃、压裂等破坏。在切削力计算时，将工件及夹具看作是一个刚性系统，以加工过程中对夹紧最不利的状态为对象，按静力平衡条件进行分析计算。这种计算是一种估算，为使夹紧可靠。

（2）夹紧力的作用点

为了减小夹紧力引起的定位误差和工件变形，夹紧力的作用点应选择在工件刚性较好的部位；应尽量靠近加工部位；应尽量作用在支撑上或支撑所组成的面积范围内。在工程实际中，当切削力比较小，工件刚性较好，可将夹紧力作用在支撑所组成的面积范围外，并尽量靠近该区域。

5.2夹紧机构自锁

为防止突然事故，夹具夹紧机构一般要求自锁。对大切削量的粗加工自动夹紧机构必须采取机械自锁，常见是用楔紧自锁的方式。对切削力较小的切削加工自动夹紧机构可允许采用其他方式自锁，常见液压夹紧采用液压自锁。

结论

轴类零件加工是整个工件工艺的关键环节，应熟练掌握其相关的技术标准及要求，明确轴类零件加工工艺规程的特点以及夹具设计的特点，应根据实际加工要求以及需求进行合理设计，选择合适的加工方法，从而提高加工质量，保证整个工件质量，提高工件生产效率。

参考文献

[1]王建勋.机械零件加工中的机床夹具设计[J].机械工程师，2013（5）.