异型面镗孔夹具设计在教学和生产中的应用
[摘 要] 异型面镗孔夹具的设计、制作、特点和使用，浅析利用异型面镗孔夹具安装蜗轮座（箱体）工件，对处在两个不同加工表面的两垂直孔进行镗削加工的应用，以实现在普通镗床上一次安装蜗轮座（箱体）工件可同时完成处在两个不同加工表面、空间中心线不相交的两垂直孔镗削功能；另外学生通过参与这套夹具的设计、制作和实际使用，提升了学生分析、研究工艺的能力，学生很受启发。从而达到加工精度完全满足图纸技术要求、加工质量稳定、生产效率提高和教学效果理想的目的。
[关 键 词] T68镗床；夹具；工件一次定位；教学效果；精度与效率
[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）16-0226-05
一、前言
在机械加工过程中，为了保证工件的加工精度，提高工件的加工效率，减轻劳动强度，合理设计、制作和使用夹具非常重要。以校企合作产品——蜗轮座（箱体）工件（如圖1所示）对处在两个不同加工表面的两垂直孔进行镗削加工为切入点（题目）引导高级工班学生设计、制作一套在普通镗床上一次安装蜗轮座（箱体）工件（以下简称蜗轮座工件），可同时完成处在两个不同加工表面、空间中心线不相交的两垂直孔镗削夹具——异型面镗孔夹具；学生通过参与这套夹具的设计、制作以及使用，提升了学生分析、研究工艺的能力。
利用这套异型面镗孔夹具安装蜗轮座工件，对处在两个不同加工表面的两垂直孔进行镗削加工，解决了镗削处在两个不同加工表面、空间中心线不相交的两垂直孔需要分两次校正、两次装夹或者分别使用两套夹具安装，形位精度很难保证、质量不稳定、生产效率低等难题。通过采用这套异型面镗孔夹具一次安装蜗轮座工件镗削处在两个不同加工表面的两垂直孔，不但能保证蜗轮座工件中心距尺寸和形位精度能达到图纸规定的工艺要求，而且产品质量稳定，生产效率明显提高。
二、校企合作产品——蜗轮座
蜗轮座是我校与顺德某纸箱设备机械有限公司合作加工生产的一百多种工件当中的其中一种工件，材料是HT250，每月产量固定，属于批量加工工件。该工件在前道工序已经完成对六个外形面的加工，本工序是镗削加工处在不同表面的两垂直孔。由于两垂直孔的孔径尺寸、孔距尺寸以及形位公差等精度直接关系到蜗轮、蜗杆、端盖的组装，以及组装后能否按精度要求正常“顺畅”运转，因此在镗削加工过程中必须保证蜗轮座两垂直孔的加工精度与加工效率，以确保装配质量和按合同完成每月生产任务。
三、异型面镗孔夹具在教学中的应用
（一）高级工班学生参与夹具设计制作的作用、意义
夹具设计与制作是一项“综合训练”，涉及的知识面较广，要求学生有厚实的基础知识、专业知识和扎实的操作技能；有分析问题、设计绘图和工艺工装等能力。
学生通过参与该夹具的设计与制作，可以巩固、加深所学的专业工艺知识、机械制图、公差配合与技术测量、金属工艺学、机械制造工程等专业理论知识和实操技能。
学生通过参与该夹具的设计与制作，并利用该夹具进行校企合作外协产品蜗轮座工件异型面内孔“批量加工”，可提高工厂意识、产品意识、质量意识和成本意识，提升分析、研究工艺的能力，培养创新意识和能力。
（二）镗削蜗轮座异型面内孔设计制作夹具的理由
1.蜗轮座工件的加工工艺分析
（1）立体划线，根据图纸工艺要求采用立体划线划出六个外形面的加工位置线（如图2所示）。
（2）分别加工六个外形面，并达到图纸规定的技术要求。
（3）镗削与基准面C垂直的φ46+0.040毫米、φ+0.080毫米和φ84毫米阶梯孔，并达到图纸规定的技术要求。
（4）镗削与基准面C平行的φ42+0.040毫米通孔，并达到图纸规定的技术要求。
（5）钻削4-φ9毫米通孔和4-φ15毫米深15毫米沉孔。
（6）钻削9-M6螺纹底孔。
（7）攻9-M6内螺纹。
2.镗削内孔常规方法一
在车床上镗削蜗轮座异型面内孔：
（1）根据图纸要求分别在两个加工面上划出内孔加工位置线。
（2）四爪卡盘安装工件，然后分别镗削φ46+0.040毫米、φ58+0.040毫米和φ84毫米阶梯孔，之后卸下工件。
（3）四爪卡盘安装工件，然后镗削φ42+0.040毫米通孔。
（4）工件精度检测。
通过对所镗削内孔检测后发现，采用这种方法镗削的内孔尺寸精度能够得到保证，但“两垂直孔”的中心距尺寸和形位精度比较难、甚至无法保证。
3.镗削内孔常规方法二
在普通铣床镗削蜗轮座异型面内孔：
（1）根据图纸要求分别在两个加工面上划出内孔加工位置线。
（2）利用压板、螺栓安装工件，然后分别镗削φ46+0.040毫米、φ58+0.040毫米和φ84毫米阶梯孔，之后卸下工件。
（3）利用螺栓、压板安装工件，然后镗削φ42+0.040毫米通孔。
（4）工件精度检测。
通过对所镗削内孔检测后发现，采用这种方法镗削的内孔尺寸精度能够得到保证，但“两垂直孔”的中心距尺寸和形位精度比较难、甚至无法保证。
4.镗削内孔常规方法三
在普通镗床利用螺栓、压板校正、夹紧工件进行镗削加工异型面内孔。加工情况与普通铣床相似，结果也是“两垂直孔”的中心距尺寸和形位精度比较难，甚至无法保证。
5.采用两套夹具镗削内孔
分别采用两套夹具（如图3所示）在普通车床上镗削蜗轮座工件“两垂直孔”。图（a）是镗削φ42+0.040毫米通孔时安装蜗轮座工件所用夹具；图（b）是镗削φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米阶梯孔时安装蜗轮座工件所用夹具。虽然工件分别用夹具（a）和（b）安装后几乎不用校正就可直接镗孔，但是由于要分两次安装，因此“两垂直孔”的中心距尺寸和形位精度仍然很难保证。
采用以上几种方法加工蜗轮座工件，除质量不稳定、加工精度无法满足图纸工艺要求之外，生产效率也比较低，因此要保证完成每月的生产任务有相当大的难度。表1是采用前面几种常规方法时的加工情况记录。
为了保证工件加工质量，提高效率和完成每月生产任务，我们需要设计一套能一次安装完成两垂直孔镗削的夹具——异型面镗孔夹具。
（三）异型面镗孔夹具设计与制作
1.异型面镗孔夹具设计、制作思路
（1）夹具设计原则。
①夹具设计以待加工工件的精度要求为设计依据，满足工件加工工序的设计精度要求，保证工件的尺寸精度和形位精度等。
②达到提高生产率的要求。
③定位合理，安全可靠。
④操作方便、安全；拆装待加工件方便、快捷。
⑤具有良好的结构工艺性。
⑥保证夹具一定的使用寿命和较低的制作成本。
（2）機床选用。
学校能够加工蜗轮座工件的设备有车床、铣床和镗床根据蜗轮座工件的加工技术要求等综合考虑，选择T68镗床。
（3）异型面镗孔夹具设计要求。
镗削完成φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米阶梯孔后不拆工件，利用分度定位机构使“工件旋转90°”；然后调整机床主轴位置确保中心距尺寸；再镗削φ42+0.040毫米通孔，即一次安装蜗轮座工件完成处在两垂直面的内孔镗削加工。
（4）工件定位基准面的选择及定位方式。
根据蜗轮座工件的加工技术要求等综合考虑，选择C面、D面和E面作为定位基准面，根据六点定位原理对蜗轮座工件采用完全定位。
基于以上分析，异型面镗孔夹具包括：
①用于工件C面、E面定位的装置，即定位靠铁1和定位靠铁2。
②用于工件D面定位以及带动工件一起旋转的装置，即分度定位转盘。
③用于“连接”机床工作台与分度定位转盘的底板。
④分度定位机构。
⑤夹紧机构。
2.异型面镗孔夹具各部分的设计与加工
（1）定位靠铁1（如图4所示）的设计、加工。
根据蜗轮座工件的技术要求以及自身安装要求等因素设计定位靠铁1；并按图纸要求加工定位靠铁1。
（2）定位靠铁2（如图5所示）的设计、加工。
用设计、加工定位靠铁1的思路、方法设计、加工定位靠铁2。
1.安装底板
（1）在基准面A安装两个导向定位键。
（2）通过50×26毫米长方槽穿入三根用于锁紧分度定位转盘的M16T型螺栓。
（3）两个导向定位键与镗床工作台T型槽“精密”配合，底板定位在T68镗床工作台面。
（4）利用四个M18T型螺栓将底板锁紧。
2.定位靠铁1、定位靠铁2的安装
（1）分别利用四个M12螺栓将定位靠铁1和定位靠铁2“紧固”在分度定位转盘上并对其进行校正，在保证形位精度的同时还必须确保定位支撑销钉到分度定位转盘中心的距离符合图纸要求。
（2）配钻、配铰定位靠铁1和定位靠铁2自身的两个φ12+0.0180毫米销孔。
（3）安装定位销。
3.安装分度定位转盘
将分度定位转盘连同定位靠铁1和定位靠铁2安装在底板上。三个φ17毫米通孔与底板M16T型螺栓“配合”，调整好定位靠铁1和定位靠铁2的“位置”，拧紧三个M16螺母即可将分度定转盘锁紧；配钻、配铰两个分度定位销孔。
4.安装分度定位机构
配钻三个螺纹底孔，攻螺纹之后安装分度定位机构。
5.安装蜗轮座工件
使工件C、D、E面与定位支撑销钉接触，然后用压板、螺栓将工件夹紧。
6.镗削异型面孔
（1）镗削φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米阶梯孔至符合图纸规定的技术要求。
（2）分度定位转盘连同工件一起转位90°。
（3）移动床头箱。
（4）镗削另外一个φ42+0.040毫米通孔至符合图纸规定的技术要求。
7.卸下蜗轮座工件
松开夹紧工件的两个M16螺母卸下工件，然后重复上述过程进行两垂直孔的镗削加工。
8.异型面孔精度检测
（五）蜗轮座工件加工定位（误差）校核
1.由于蜗轮座工件用螺栓、压板夹紧，在整个加工过程中均处于锁紧状态；因此工件与定位靠铁1、定位靠铁2之间不存在定位误差。
2.由于定位靠铁是利用圆柱销直接定位，并分别用四个M12螺栓紧固在分度定位转盘上，在整个加工过程中均处于锁紧状态；因此定位靠铁与分度定位转盘之间之间也不存在定位误差。
3.底板和分度定位盘之间采用φ100毫米精确配合联接，
同时底板和分度定位盘之间还通过φ12+0.0180毫米分度定位销
“联接”。
通过分析以及实际生产使用，异型面镗孔夹具能满足蜗轮座工件的加工精度要求，效果理想。
（六）学生通过参与异型面镗孔夹具设计、制作的收获
1.学生设计、制作异型面镗孔夹具的使用效果
经实际使用，异型面镗孔夹具解决了由于“两次”装夹、“两次”校正等因素对蜗轮座工件处在不同表面之间两垂直孔镗削加
工所造成的中心距尺寸以及垂直度无法保证的情况。该夹具利用蜗轮座工件上已经加工好的外侧面与定位支撑销钉直接接触将工件完全定位，工件无需校正即可利用螺栓、压板“夹紧”，且在镗削第二个面的孔时也不用装拆、校正工件，只需将分度定位转盘转位900，再将镗床床头箱移动两孔中心距42毫米即可镗削；因此在保证工件加工精度的同时也提高了加工效率。学生利用夹具加工蜗轮座工件如图9所示。
2.设计、制作异型面镗孔夹具对学生的影响
（1）使学生清楚要设计出合理、实用的机床夹具必须掌握过硬的专业理论知识，包括工件图纸的工艺分析、机床选择、材料选用、定位组件、夹紧组件、公差配合等精度设计、误差分析以及结构设计的理论知识。只有真正地掌握了这些理论知识，才能设计出结构合理、符合生产要求的实用性夹具，为学生走向工作岗位打下坚实的基础。
（2）使学生清楚在进行具体设计时要深入实际，进行调查研究，并掌握以下资料：
①工件图纸，详细阅读工件图纸，了解工件被加工表面的技术要求，工件在机器中的位置和作用。
②工艺文件，了解工件的工艺过程，本工序的加工要求，工件被加工表面及待加工面状况，基准面选择的情况；可用机床设备的主要规格，与夹具连接部分的尺寸及切削用量等。
③生产纲领，夹具的结构形式应与工件的批量大小相适应，做到经济合理。
④夹具必须能保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。
⑤要制定出合理的设计方案。
（3）通过这次夹具设计、制作，综合检验了学生对本专业所学课程的理论知识和实习操作动手能力，从中发现自己平时学习
的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
总之，通过这次夹具设计，使学生掌握了夹具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程也进行了全面的复习；培养和提高了学生独立工作能力，巩固与扩充了机床夹具设计等课程所学的内容，掌握了夹具设计的原则、方法和步骤，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案。
四、异型面镗孔夹具在生产中的应用
（一）异型面镗孔夹具的结构
1.第一部分是底板
底板A面中间位置有一条“定位通槽”，用来安装两个导向定位键，从而使底板能直接与镗床工作台T型槽准确“精密”配合定位；底板中心有一个φ100+0.034+0.012毫米通孔；B面有一条环形T型槽；另外，底板A面开一条50×26毫米长方槽，锁紧分度定位转盘的M16T型螺栓就是通过这条长方槽穿入环形T型槽。
2.第二部分是分度定位转盘
分度定位转盘是利用φ1000-0.022毫米高20毫米凸台与底板φ100+0.034+0.012毫米通孔“精密”配合；分度定位转盘以φ100+0.034+0.012毫米通圆孔为“基准”可以360°转动。利用均布的三个φ17毫米通孔，与底板环形T型槽里头的M16T型螺栓“配合”将分度定位转盘紧固在底板上面。
3.第三部分是分度定位机构
分度定位销、手柄和压盖通过φ2.5毫米圆柱销“组合”在一起；利用三个内六角螺栓将压盖紧固在分度定位转盘上。分度转位时弹簧的弹力将分度定位销“下拉”，从而使分度定位销能“准确找到”底板分度定位孔，确保分度快速、准确。
4.第四部分是定位靠铁1和定位靠铁2
整體采用铸造而成，两条加强筋提高了定位靠铁的刚性；两垂直面的精加工以及用于工件定位的支撑销钉长度均在磨床上完成，形位精度和尺寸精度能满足设计要求；利用两个定位销和四个M12内六角螺栓将定位靠铁安装在分度定位转盘上。
5.第五部分是蜗轮座工件夹紧机构
夹紧机构由压板、垫块和螺栓组成，压板与垫块是一个“整体”，方便工件装拆；利用两个M16螺栓锁紧蜗轮座工件，牢固、可靠。
（二）夹具各元件的定位
1.蜗轮座工件定位
在定位靠铁1的垂直面安装有两个定位支撑销钉对蜗轮座工件“基准面C”进行定位，限制工件沿X轴方向移动和绕Z轴转动两个自由度。在定位靠铁2的垂直面安装有一个定位支撑销钉对蜗轮座工件“基准面E”进行定位，限制工件沿Y轴方向移动一个自由度。在分度定位转盘安装有三个定位支撑销钉对蜗轮座工件“基准面D”进行定位，限制工件沿Z轴方向移动、绕X轴转动以及绕Y轴转动三个自由度。蜗轮座工件采用完全定位方式定位，准确、可靠。
2.定位靠铁1定位
定位靠铁1的底面与分度定位转盘接触，限制了定位靠铁1沿Z轴方向移动、绕X轴转动以及绕Y轴转动三个自由度；两个定位销则限制了定位靠铁1沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动以及绕Z轴转动三个自由度。定位靠铁1也是采用完全定位方式进行定位。
3.定位靠铁2的定位
定位靠铁2的定位与定位靠铁1的定位类似。
4.分度定位转盘的定位
分度定位转盘的基准面A与底板接触，限制了分度定位转盘沿Z轴方向移动、绕X轴转动以及绕Y轴转动三个自由度；直径φ1000-0.022毫米高20毫米凸台限制了分度定位转盘沿X轴方向移动和沿Y轴方向移动两个自由度；安装在分度定位转盘的φ12+0.0180毫米分度定位销则限制了分度定位转盘绕Z轴转动一个自由度。分度定位转盘也是采用完全定位方式进行定位。当分度定位转盘需要分度转位时，只需拔出分度定位机构的定位销，分度定位转盘可实现分度定位功能。
5.底板的定位（即整套夹具的定位）
与工作台接触的底面限制了底板沿Z轴方向移动和绕X轴转动、绕Y轴转动三个自由度；与工作台精密配合的定位键限制底板沿Y轴方向移动和绕Z轴转动两个自由度；剩下X轴方向移动这个自由度没有被限制，而X轴与走刀方向平行，故X轴移动的这个自由度不用进行限制也不会影响工件的加工精度。
（三）异型面镗孔夹具的工作原理
1.指导思想
采用工序集中原则，在镗床上对蜗轮座工件处在不同表面的两垂直孔一次定位完成安装，减少了定位、校正等误差，从而确保了蜗轮座工件两垂直孔的加工质量。
2.工作原理
（1）利用分度定位销进行准确分度定位，使分度定位转盘在“转动”过程中保证定位销能与底板上两个定位销孔准确配合，从
而保证异型面两孔的垂直度。
（2）通过大量程百分表“精确定位”控制，确保镗床床头箱上、下移动的距离就是42毫米，从而保证两孔的“中心距”。
（3）利用镗刀微调螺栓，准确调整刀具的伸出长度，从而保证了孔的尺寸精度等要求。
（四）蜗轮座工件的工艺加工方法
（1）将待加工的蜗轮座工件准确定位在夹具规定位置，然后夹紧工件。
（2）镗削F面阶梯孔：粗镗孔→半精镗孔→精镗孔，达到图纸规定的φ46+0.040毫米、φ58+0.080毫米和φ84毫米尺寸精度、形位精度和表面粗糙度等技术要求。
（3）拔出分度定位销，松开锁紧分度定位转盘的三个M16螺母，将分度定位转盘连同工件、定位靠铁1以及定位靠铁2一起转位90°到达规定位置，定位销“自动插入”销孔，再分别锁紧分度定位转盘的三个M16螺母。
（4）松開镗床床头箱锁紧手柄，利用百分表“精确定位”控制，床头箱下降42毫米，保证异型面两孔的中心距符合图纸要求。
（5）镗削G面通孔：粗镗孔→半精镗孔→精镗孔，达到图纸规定的φ42+0.040毫米尺寸精度以及形位精度和表面粗糙度等技术要求。
（6）拆卸已经加工好的蜗轮座工件，安装待加工的蜗轮座工件，重复刚才的动作对工件进行加工。
（五）异型面镗孔夹具在生产中的应用效果
经实际使用并对蜗轮座工件进行检测，采用该夹具在普通镗床上进行异型面两孔镗削加工，所镗削的蜗轮座工件两垂直孔的尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度均达到了图纸设计要求；加工效率比采用常规方法加工提高了3—5倍，解决了蜗轮座工件在镗削加工异型面两孔时中心距尺寸和垂直度无法保证的技术难题。表2是使用该夹具加工与采用常规加工方法加工比对情况。
五、结束语
根据校企合作产品——蜗轮座工件的加工要求和我校的办学特色等实际情况，结合我从事“机械加工工艺以及工装夹具”的研究，长期承担钳工类技师和高级技师培训教学，以及一直在加工工艺、生产实习教学的工作经验，总结、分析各种加工方法，扬长避短，充分利用学校现有设备，带领学生设计、制作了这套普通镗床“异型面镗孔夹具”，其设计理念符合采用专用夹具加工工件精度高、效率高的要求，对学生而言既是一种专业理论知识的检验，同时也是相关实战操作的综合检验，另外还解决了生产难题。异型面镗孔夹具不仅可以满足蜗轮座工件的设计要求，也为其他校企合作产品的加工和学生实习课题的设计等提供了思路。
参考文献：
[1]李树清.一次安装完成两垂直孔镗削夹具设计[J].模具制造，2012（3）：78-84.
[2]李庆寿.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，1985.
