咬合式夹持技术在薄壁零件加工中的应用

生产加工过程中，很多薄壁零件存在刚性差、强度低等问题，工件在车削、铣削过程中易产生变形，引起尺寸超差，难以保证加工质量。因此，此类薄壁零件在装夹、刀具选择、程序编制、机床加工时需着重考虑加工工艺。

图1 零件

图1所示为热变形测量装置上某一薄壁零件，主要用于热变形测量装置元器件的固定和保护，防止其在测量过程中磕碰、刮伤导致测量数据失真。从图1可以看出，零件为转接头，其中外圆尺寸有精度要求，2个薄壁孔垂直相连且壁厚仅为3mm，两头均为圆弧面，装夹困难，易变形，尺度精度和形状精度难以保证。

咬合式夹持技术的工作原理

1

咬合式夹持技术是指借助于液压咬痕机在工件的夹持部位预制齿痕，夹具的夹持爪上带有与咬齿机几何尺寸和分布完全一致的齿，确保预制齿痕与夹具齿体完全配合，只需夹持工件3mm的高度就能保证装夹可靠，且能完整加工零件侧面，实现五面加工，保证加工零件的形状精度，如图2所示。

图2 咬合式夹持方式

（a）咬合式虎钳快速安装

（b）水平安装

（c）垂直安装

图3 咬合式虎钳安装

咬合式虎钳的快换功能由虎钳底面4颗拉钉与快换板（QuickPoint）的零件定位系统配合使用，实现夹具快速安装，如图3所示。4个拉钉插入快换板的销孔后，通过侧面的螺钉拉紧拉钉，固定咬齿虎钳，无需附加定位装置就能保持工件的重复定位精度达0.005mm，定心精度达±0.02mm。通过可翻转卡爪实现更大的夹持范围，一般配有旋转锁的夹紧杆可以水平和垂直使用，如图3（b）、（c）所示。

咬合技术装夹的加工过程

2

01

编制加工工艺

薄壁零件加工的工艺方案如下。

（1）工序①：使用咬齿机对待加工零件毛坯预制齿痕，保证浅齿深度在-0.1mm左右；使用咬齿虎钳齿痕处装夹，粗加工零件反面深度至40mm，留余量1mm；精加工零件反面深度至40mm，保证零件各项尺寸。使用平口钳装夹已加工的面，注意底面应与平口钳紧贴。

（2）工序②：使用咬齿虎钳光面处装夹，保证零件外露35mm，注意夹紧力大小；粗加工零件正面深度，留余量1mm；精加工零件正面，保证零件各项尺寸。使用咬齿虎钳光面处装夹已加工的面，注意朝向及底面应与咬齿虎钳紧贴。

（3）工序③：使用咬齿虎钳光面处竖直装夹，保证零件外露45mm，注意?30mm圆孔安装时朝向操作员、控制夹紧力大小等问题；粗加工?30mm圆柱，留余量1mm；精加工?30mm圆柱，保证零件各项尺寸；最后去除毛刺送检，经检验合格后油封入库。

工序①~工序③加工所用设备均为立式加工中心，型号为VMC850B。

02

CAM编程

（a）工序①加工轨迹

（b）工序②加工轨迹

（c）工序③加工轨迹

图4 加工过程轨迹

采用UGNX8.5对零件加工过程进行编程，具体加工方案如下：①选择加工环境，开始→所有模块→创建毛坯几何体（GEOMETRY）；②根据零件特征信息分析设定毛坯→设定工件坐标系，根据粗加工的工艺方案选择机床坐标系MCS；③插入工序→刀具→方法→选择切削模式→选择往复/步距→毛坯距离/每刀切深/最终底面余量等。依次完成底面的各加工方案，插入刀轨进行模拟，检验轨迹的正确性，各工序的加工过程轨迹如图4所示。

03

机床操作

选取毛坯

毛坯材料为2A14，尺寸为85mm×45mm×55mm，单边各预留1mm余量，毛坯由普通铣床加工至84mm×42mm×52mm，六面相互垂直。

选择刀具

选择刀具时首先要考虑刚性问题，根据零件结构及加工要求确定刀具直径。综合考虑，选择的刀具如下：刀具1为NOMOD12-33-70-D12-3T，用于粗加工；刀具2为NOMOD12-33-70-D12-3T，用于精加工。

确定装夹方案

图5 毛坯安装

该零件在传统加工时常采用平口钳或专用夹具装夹，以下采用咬合式夹持技术，如图5所示。在加工过程中为下一道工序预留装夹面，为防止装夹变形，夹紧零件时夹紧力不能过大，应注意控制切削温度，分几次装夹。

设定工件坐标系及相关参数

坐标系设定：工序①坐标系：X右单边，Y取中，Z上表面；工序②坐标系：X右单边，Y取中，Z夹具上表面；工序③坐标系：X取中，Y上单边，Z夹具上表面。切削参数设定：对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量，如表1所示。

零件加工过程及成品

（a）加工过程

（b）零件成品

图6 零件加工过程及成品

如图6所示，粗、精加工分开，严格控制零件尺寸精度及形位公差。

咬合夹持技术的应用分析

3

传统方案装夹存在的工艺难点

传统方案装夹此零件需要较大的装夹边，才能满足装夹需求，当除去预留的装夹边时，零件容易产生切削变形或因夹紧力过大引起变形。此外，由于零件不规则的形状导致装夹困难且形位公差要求高，加工?30+0.3+0.2mm尺寸要求专用夹具装夹，加工成本高，对操作者的技术要求较高。

（a）正面安装

（b）快速更换安装

图7 装夹零件

咬合式夹持技术加工工艺方案的优点

通过咬合夹持技术，利用虎钳借助拉钉直接将工件固定到事先安装在机床工作台上的快换板上。虎钳自重较轻、结构稳固，具备快换功能，双导向滑块由丝杆螺母副驱动卡爪，方便人工装卸，如图7所示，零件正面加工完毕后能快速实现更换安装方式。

选用新型咬合式夹持技术能改善工艺设计难的问题，因夹具夹持爪上的齿对准了工件上的齿痕，即使在夹紧力较小的情况下，也能夹紧工件、牢固可靠，减少了因工件被夹持面过大而对加工造成妨碍。加工时用咬齿虎钳光面处装夹，保证工件夹紧可靠，不损伤加工面，可用于精加工，在1个平口钳上实现了2种功能。采用咬合式夹持技术解决了在粗加工状态下使用传统平口钳预留较大装夹边的问题，也解决了在加工热变形测量装置时较大的夹紧力引起零件加工变形难以保证零件的形位公差等装夹难题。咬合式夹持技术因夹持部位少，减少了因工件被夹持面过大而造成的工艺障碍。传统装夹方案和咬合式夹持技术装夹方案加工后的对比如表2所示。

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来源：模具设计圈