轴承套钻铰孔的多件装夹夹具设计①

轴承套钻铰孔的多件装夹夹具设计①
杨磊; 张国政; 周元枝
【期刊名称】《《佳木斯大学学报（自然科学版）》》
【年(卷),期】2019(037)006
【总页数】4页(P957-960)
【关键词】轴承套; 钻铰孔; 多件装夹; 夹具设计
【作者】杨磊; 张国政; 周元枝
【作者单位】安徽机电职业技术学院数控工程系安徽芜湖241002
【正文语种】中文
【中图分类】TH123
0 引言
夹具设计直接影响工件加工的质量，如何选择合理装夹方案对于夹具设计十分关键，工件的装夹方案包括定位和夹紧两大功能，因此，分析工件装夹方案既要考虑定位的准确性，还要保证夹紧的可靠性。

轴承套的加工工艺设计，及其圆周表面的钻、铰孔加工夹具设计是机械制造的常见课题。

文献[1]分析了精密轴承套件在不同生
产类型下的工艺设计，并给出了几种工艺方案，并通过三维有限元分析了工件的夹紧变形情况，但未对不同装夹方案中对圆柱表面钻孔进行应力、应变等比较分析。

在确定装夹方案后，夹具设计则是影响机加工的关键因素，不仅影响着加工质量，还对加工效率有十分重要的影响，尤其是数控加工生产线平衡性问题。

机加工生产
线平衡性问题作为装配线平衡问题的延伸，逐渐发展到机床夹具设计领域[2]。

面
向大规模生产类型，采用数控加工工艺方案必须考虑到夹具的功能，通过夹具来完成工件的多工序装夹等问题，进而解决加工生产线平衡问题，避免数控机床的单一工序加工而造成生产效率低下。

张国政等[3-6]提出多件装夹设计思想，进而可以
解决工件多工序加工问题，可平衡加工生产线不匹配问题，并给出了相关规划方法及工程应用实例。

本文针对轴承套件的钻铰孔装夹问题，提出一体多件装夹设计思想，进而发挥数控机床的加工优势，提高生产效率，并保证了机床合理布局的生产线平衡问题。

1 轴承套钻铰孔装夹方案
轴承套零件如图1所示，材料为45#，其主要加工工艺方案可参见文献[1]中表述，本文在此基础上，主要针对钻、铰轴承套圆柱表面径向孔Φ13的装夹问题，提出
三种类型装夹方案。

为了保证工件Φ13的正确装夹，该件需要采用不完全定位方式，需要约束除了绕其中心线旋转的自由度以外的五个自由度，此装夹方案可分别为Φ28孔+端面定位轴向夹紧装夹方案(记为方案Ⅰ)、Φ41外圆柱面+端面定位轴向夹紧装夹方案(记为方案Ⅱ)和Φ44外圆柱面+端面定位径向夹紧装夹方案(记为
方案Ⅲ)，分别如图2、图3和图4所示。

三种装夹方案都能满足工件定位要求，
其中，方案Ⅰ和方案Ⅱ采用的是轴向夹紧方式，方案Ⅲ采用径向夹紧方式。

三种装夹方案所产生的定位误差为：
ΔD=ΔB=0.05mm
(1)
式(1)中，ΔD表示定位误差，ΔB表示基准不重合误差。

通过式(1)可见，定位误差为0.05mm远小于Φ13孔的定位尺寸0.2mm，为此，以上三种装夹方案的定位方式可行。

那么，三种装夹方案中夹紧方式是否满足要求，需要对其夹紧力造成的夹紧变形的应力应变情况进行分析。

图1 轴承套零件图
图2 28孔+端面定位轴向夹紧装夹方案
图3 41外圆柱面+端面定位轴向夹紧装夹方案
2 夹紧变形有限元分析
文献[1]中运用ANSYS12.0软件对轴承套进行了应变分析，本文在此基础上，采
用ABAQUS软件对其应力应变分析，进一步完善对其装夹夹紧变形情况。

经查阅45#材料属性，其杨氏模量(Ex)E=209GPa，泊松比(NUXY)v=0.269，密度(DENS)ρ=7890kg/m3。

由于轴承套件结构简单，可通过UG NX软件建模，保存成x_t格式后导入到ABAQUS软件中进行分析。

基于以上三种装夹方案，首先分
析方案Ⅰ和方案Ⅱ采用的是轴向夹紧方式，夹紧力F=1000N，钻削力为180N，
经ABAQUS软件分析轴承套装夹变形位移、应变应力等结果，如图5和图6所示。

图4 44外圆柱面+端面定位径向夹紧装夹方案
图5 轴向夹紧应变云图
图6 轴向夹紧应力云图
运用同样的方法，再使用夹紧力F=1000N，钻铰削力为180N，分析方案Ⅲ采用
的是径向夹紧方式，经ABAQUS软件分析轴承套装夹变形时应变应力等结果，如图7和图8所示。

图7 径向夹紧应变云图
图8 径向夹紧应力云图
图9 芯轴夹具装置
通过分别比较图5和图7，其轴向夹紧产生的最大应变量为3.144E-05mm，径向夹紧最大应变量为1.013E-04mm，由此可见，轴向夹紧应变量比径向夹紧应变量要小一个当量，故而轴向夹紧对工件产生的应变小。

图10 一体多件装夹芯轴夹具
图11 V形块定位夹具装置
图12 V形块定位的一体多件装夹夹具装置
通过分别比较图6和图8，其轴向夹紧产生的最大应力为7.619E+00Pa，径向夹
紧最大应力为2.456E+01Pa，由此可见，轴向夹紧产生应力比径向夹紧产生应力
要小，故而轴向夹紧对工件产生的应力小。

以上分析结论是：轴向夹紧应变应力最小，主要是由于轴向夹紧满足工件夹紧刚性足的要求。

3 钻铰孔装夹夹具设计
3.1 芯轴夹具
根据以上装夹夹紧分析，采用轴向夹紧有利于保证工件装夹刚性，轴套件传统装夹方案是采用手动芯轴夹具夹紧，为提高夹紧效率，普遍利用气动夹紧方式，如图2所示的Φ28孔+端面定位轴向夹紧装夹方案，如图9所示。

图9(a)所示未安装轴
套件的芯轴夹具；图9(b)所示安装轴套件的芯轴夹具。

由图9可见，由于被装夹轴套件轴向长度为58mm，所以在芯轴夹具上装卸轴套
件时气缸的行程必须超过58mm，导致芯轴夹具长度增加，同时气缸行程也使得
装夹效率较低。

在数控加工过程中，为了提高装夹效率，采用一体多件装夹方式，可进一步将夹具设计为如图10所示的两件装夹芯轴夹具。

图10(a)所示未安装轴套件的一体多件装夹芯轴夹具，图(b)所示安装轴套件的一体多件装夹芯轴夹具，其特点是不需要钻模板，但依然存在气缸行程大等缺点，为此，采用图3所示的Φ41外圆柱面+端面定位轴向夹紧装夹方案。

3.2 V形块定位夹具
为了便于工件装夹，将芯轴更换为V形块，采用V形块定位方式，如图11所示。

在数控加工过程中，为了提高装夹效率，在此基础上设计为V形块定位的一体多
件装夹夹具，如图12所示。

图12所示的V形块定位的一体多件装夹夹具装置，采用气动夹紧便于装卸工件，
可有效地提高工件装夹效率，在实际应用中比芯轴夹具节约2～3秒每件，便于实现机械手自动化装夹，利于大批量生产模式。

4 结论
根据轴套件三种装夹工艺方案比较分析，通过有限元分析轴套件装夹应变应力，设计出一体多件装夹夹具装置，得出以下结论：
(1)轴套件装夹时，轴向夹紧时应变应力最小、刚性最好，因此，轴套类零件在装
夹时应采用轴向夹紧力方向对工件实施夹紧，有利于工件的夹紧变形应变应力最小。

(2)传统芯轴夹具装夹效率较低，设计V形块定位的一体多件装夹夹具装置可提高
装夹效率，有利于工业机械手自动化装夹，适合于现代加工定制化等批量生产模式。

参考文献:
【相关文献】
[1] 张国政，赵文英，孙灏，等.精密轴套件装夹变形有限元分析与控制[J].制造业自动化，2018，
40(1)：40-44.
[2] 李爱平，鲁力，王世海，等.复杂箱体零件柔性机加工生产线平衡优化[J].同济大学学报:自然科
学版，2015，43(4)：625-632.
[3] 张国政，韩江.多工序加工系统的数控夹具设计应用研究[J].机械设计，2012,29(11)：75-79.
[4] 张国政，杨海卉，刘顺.基于工序集中要求的加工中心夹具设计研究[J].重庆科技学院学报:自然
科学版，2012，14(3)：128-132.
[5] 周元枝，张国政，刘顺.阀体件加工工艺分析与一体多件装夹夹具设计[J].重庆科技学院学报:自
然科学版，2013,15(2)：135-138.
[6] 张国政，徐小飞，刘顺.面向数控加工的一体多件装夹夹具设计[J].安阳工学院学报，2014,13(4)：14-16.
[7] 张国政，田晓青，周元枝.多工序制造系统自动装夹工艺规划研究[J].长江大学学报:自然科学版，2016,13(28)：39-45.。