偏心直角圆锥管车削夹具的改进

　　摘 要：文章分析了偏心直角圆锥管车削夹具原来的装夹加工方法，经过分析后重新改进夹具结构，使这直角圆锥管加工的效率提高了2倍，降低了生产成本。该夹具结构模式对该类零件的加工具有参考价值。
　　关键词：直角圆锥；偏心管；薄壁工件
　　
　　我单位是一所中等职业技术学校。办学三十年来，主要为社会培养工业与财务管理等各方面人才。办学多年来，学校的规模日渐扩大，各方面的设备已渐渐增多与完善，现已成为广东省示范职业教学基地之一。为了更好提高教师水平，更好地陪养好学生，学校会利用假期时间和外面一些企业联系，进行一些有意义有加工工作。
　　2004年7月，学校车间受东洋不锈钢公司委托，进行一系列偏心直角圆锥管制品的加工（制品材料为0Cr18Ni9型号不锈钢）。制品尺寸如图1所示。

　　该类零件主要用于卫生管道安装中大管道与小管道在水平连接中，不允许有积液现象产生的高要求安装场合下使用的一个关键连接件，应用比较广泛，需求量较大。
　　由于其偏心直角圆锥管已由厂家采用φ57×2mm管材做坯料，经过挤压工件由圆管成形为偏心直角圆锥管。成形后工件小端壁厚由原2mm变为2.3mm，大小端长度加工余量较多（大小端各5mm）。为了使工件符合图纸尺寸要对工件进行切削加工，要进行加工先分析其加工工艺，相对而言用车床加工较其它方法有效率较高和成本较低的特点。
　　但是由图1可以看到工件为薄壁工件，而且是偏心工件，在车床加工有一定的难度。
　　难点1：零件经挤压成形后，形状奇特，是一个偏心距为6.35mm的偏心圆锥薄壁管，大小端面不平整。
　　难点2：该工件为薄壁偏心圆锥工件，薄壁工件加工时在夹紧力作用下容易变形，车削加工时在切削力作用下容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度和形位精度。另外，偏心工件加工的统一性和偏心精度难以保证。
　　难点3：该工件的形位精度较高，侧母线与两端面的垂直度不超过0.2mm，两端面的平行度不超过０.1mm，形位精度的保证相当困难。
　　难点4：该工件为挤压成形件，垂直于两端面的侧母线不明显，难以确定；大小两端和偏心圆锥的连接线较模糊，使工件大小端直身段长度尺寸不易控制，同时小端收缩后，小端壁厚由原2mm变为2.3mm，比图纸要求的1.5mm厚了0.8mm，要车床切削方法加工到符合图纸尺寸，加工找正相当困难。
　　通过对工件加工要求的分析，如用常规装夹方法，难以保证工件尺寸精度、形位精度的准确及一致性。为使工件能顺利加工，车间老师们设计制作了一套夹具，可以在三爪自定心卡盘上安装加工。
　　夹具设计符合薄壁工件装夹原则：采用轴向夹紧力夹紧，分三个工序对工件加工。先加工大端，再加工小端，最后加工小端内孔。
　　工序1．车削大端面时用心轴以工件内偏心锥孔作为定位基准，用一夹一顶的装夹方法车削大端面，其装夹加工示意图如图2所示。工件用偏心圆锥心轴定位时，工件与心轴间无间隙，定位精度高，心轴限制了工件的z，y，x六个自由度。

　　其不足之处是:采用芯轴一夹一顶方法加工，由于零件的圆锥角大于7°自锁角，需要用尾顶作轴向夹紧力，但是零件小端面不平整，与卡爪端面形成点接触，在切削力作用容易造成工件返松打滑，令到侧母线与大端面垂直度超差，车削大端是偏心车削，长度加工量较大。

　　当工件大端绕车床主轴中心线旋转时，车床主轴中心线与工件大端是偏心的，增大了车削面积（如图2左图示）。用径向方法车削时，由于是断续切削容易引起振动和扎刀；用轴向车削时，则切削深度较大为14.7mm，切削力大，容易振动和变形，生产效率低。由于零件是挤压成形，大端与偏心圆锥连接线不明显，大端的长度尺寸测量困难，尺寸难控制。批量制品的形状及尺寸一致性较难保证。
　　工序2．车削小端面以大端面为定位基准，用螺母轴向压紧工件偏心圆锥外表面。螺杆端面可以限制了工件x轴的平行移动自由度，y和z轴的旋转自由度，螺母即可限制工件y,z,x轴平行移动自由度。车削时小端轴线与车床轴线是偏心的，切削力大，车削困难，效率低。而且只可以加工端面不可以加工内孔。其装夹加工示意图如图3所示：

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　　工序3．车内孔用软爪夹住小端外圆，用内孔刀反向车削小端内孔，内孔测量较难。而且装夹接触面积少，工件刚性不足易引起振动，生产效率低。其装夹加工示意图如图4所示：

　　最后几经努力，终于完成了50只样品交给东洋公司验收。
　　不久经东洋公司反映所送样品合格率为94%。由于其公司交货期比较紧，所以要求学校尽量安排时间，按图纸要求批量生产加工。在批量生产并要保证交货期的情况下，原来的加工工艺因为生产率低，加工装夹繁锁，已不能满足生产需要。作为车工组组长，我便担起了这个改进生产工艺，提高生产效率，确保产品交货期的任务。

　　一、偏心直角圆锥管的加工工艺分析

　　要找出工艺改进的突破口，首先要对各工序的加工工艺和生产效率进行统计分析。结合东洋公司统计如表1所示：

　　由表1可以看出，效率最低的工序是车削加工，属于加工过程中的瓶颈工序。主要原因是夹具设计不合理，严重制约了生产效率，根椐实际情况，要提高劳动效率最好办法就是改进原有夹具，使其能够定位准确，快速装夹。
　　带着在实际生产操作中碰到的问题，认真分析了零件特征和加工要求，并参考大量有关薄壁工件和偏心工件的加工方法和装夹方法、夹具设计和工件定位原理等有关资料，经仔细分析研究，重新确定工件加工定位基准，将薄壁工件装夹方法和偏心工件的装夹方法加工有机结合起来。重新改进夹具，经车间各师傅确定通过，准以实施。

　　二、改进思路

　　1. 夹具能将偏心零件在三爪自定心卡盘快速同轴装夹，而无须找正就可以加工小端端面和内孔。将原来偏心车削改为同轴车削，减少车削面积和难度，将原来加工工艺二个工序合为一个工序， 提高生产效率。
　　2．将原加工大端面的偏心车削，改成可同轴车削，减少车削面积和加工难度，提高生产率。车小端夹具改进方案：
　　确定工件定位基准：以偏心圆锥内孔为定位基准。因为该工件是用成形模具挤压成形，工件形状精度由成形模具保证。另外根据圆锥表面有较高定位精度和可以传递较大扭矩的特性，那么加工时，小端面与垂直侧母线的形状精度尺寸就能保证。
　　由于夹具定位基准是偏心圆锥心轴和夹套，在普通铣床和车床无法加工，需要用加工中心或数控铣床加工。（这样夹具的精度得到有效的保证）。
　　车小端夹套铣好后再用线割机在垂直于侧母线方位的剖面处割一条1mm窄槽，既可以依靠窄槽的弹性变形夹紧工件又可起到加工薄壁工件的软爪作用，保证了工件的形状精度。如图5所示：

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　　加工车削过程：车削小端和内孔时，将工件放进偏心圆锥心轴，再将偏心夹套套进工件，在车床上用三爪自定心卡盘装夹，用百分表测量工件小端的圆跳动为0.05mm。接着就可以车削小端和内孔了。其装夹如图6所示：

　　由于心轴是用机床主轴锥孔作为定位基准，定位精度高，工件以偏心圆锥心轴定位时，工件与心轴可以做无间隙配合，心轴限制了工件的x，y，z轴六个自由度。另外工件的圆锥角大于自锁角，所以要加上一个夹套，使工件与心轴更紧密接触，防止工件加工时返松。
　　车大端面夹具改进方案：
　　将原车削大端面的偏心车削改成同轴加工，其夹具如图7所示：

　　车削大端时，以小端面为定位基准其装夹如图8所示：

　　大端轴线与车床同轴，用轴向车削切削深度只有2mm，比原偏心车削的切削深度减少了12.7mm，大大地提高了切削效率。
　　两种夹具效果对比；
　　A1．原车小端夹具　　　　A2. 改进后车小端夹具
　　 属偏心车削　　　　　　　属同轴车削
　　切削面积大，加工困难切　削深度只有2mm ，加工装夹容易又牢固
　　不能加工内孔　　　　　　可以加工内孔
　　　　　　　　　　　　　　定位精度高能,保证小端面与侧母
　　　　　　　　　　　　　　线垂直度为0.2mm，无须找正
　　 B1.车大端夹夹具　　　　B2.改进后车大端夹具
　　属偏心车削　　　　　　　属同轴车削
　　切削深度14.7mm　　　　　切削深度2mm
　　车削力大,容易使工件返松，操作简单，快速。
　　造成大端面与侧母线垂直度超差。

　　三、结语

　　通过对夹具的改进，简化了零件的加工操作，成功地解决了实际生产上遇到的困难顺利地保证了产品按期交货。自从产品开发成功至今已帮助东洋公司顺利完成了一系列偏心直角圆锥管产品的出口任务，为学校创造出较大效益。

　　四、致谢

　　在撰写本论文的过程中，曾得到本单位副校长高级讲师钟肇光，刘松波技师、吴钊技师和肇庆技师学院高级技师植才华，孙德强等老师的指点帮助，在此致以衷心的感谢。