定心夹紧机构可分为刚性定心夹紧机构和弹性定心夹紧机构两种 ,刚性定心夹紧机构的夹紧行程大 ,但定心精度不高 ,常用于粗加工和半精加工 .弹性定心夹紧机构的定心精度高 ,但夹紧行程小 ,常用于精加工 .液性塑料定心夹紧机构是弹性定心夹紧机构的一种 ,它广泛用于车、铣、镗、钻、磨等机床夹具中 .其工作原理是 :利用液性塑料的不可压缩性 ,其作为介质 ,可以将压力均匀地传递给薄壁套筒或滑柱 ,使薄壁套筒或滑柱产生均匀的径向弹性变形或位移而将工件定位和夹紧 .液性塑料定心夹紧机构的优点在于定心精度高 ,其定心精度一般可以达到 0 .0 0 5ｍｍ～ 0 .0 1ｍｍ ,最高达0 .0 0 1ｍｍ ,同轴度可达 0 .0 1ｍｍ～ 0 .0 2ｍｍ .另外 ,在用于多位夹紧时 ,其夹紧迅速 ,夹紧力大且可靠 .1 问题的提出在我所生产的ＣＳＵ接头形式的测井仪中 ,“螺套”(见图 1,材质 :3Ｃｒ13)是一个关键的零件 ,其特点是内孔的精度和粗糙度要求高 ,螺纹与内孔的同轴度要求高 ,达 0 .0 2ｍｍ .因此 ,如下制定加工工艺路线 :粗车—热处理—半精车—粗精磨内孔—精车螺纹 .全部工艺的关键在于 :当内孔经磨削加工完成后 ,如何以内孔为基准定位来加工螺纹 ,从而保证同轴度要求 .经分析 ,使用液性塑料定心夹紧机构完全可以满足工艺要求 .2 液性塑料定心夹紧机构的结构形式我们设计的液性塑料定心夹具如图 2所示 ,它由心轴、
薄壁套筒、液性塑料、夹具体、柱塞、压紧螺钉、螺钉等组成 .当用扳手拧紧压紧螺钉时 ,压力通过柱塞传递给液性塑料 ,液性塑料又将压力均匀地传递给薄壁套筒 ,薄壁套筒产生径向弹性变形定位夹紧工件 .3 薄壁套筒的计算液性塑料定心夹紧机构设计的关键是薄壁套筒的设计 ,薄壁套筒是整个夹具中的重要零件 .其计算主要包括 :已知工件的结构尺寸、基准表面长度、公差、切削扭矩和薄壁套筒的机械性能 ,根据以上数据需要计算出薄壁套筒的各部分结构尺寸 ,以及为使套筒薄壁部分产生足够的径向变形时所需的塑料压力Ｐ(Ｎ/ｍｍ2 )等 .薄壁套筒的结构如图 3所示 ,各部分未知尺寸用字母表示 ,其材料为 4 5 # ,ＨＲＣ =35～ 4 0 ,Ｅ =2 .1×10 5.已知工件的抗拉强度为σｂ=735Ｎ/ｍｍ2 ,走刀次数ｉ=9,被加工面直径Ｄ0 =80ｍｍ ,由于其结构属于长套筒形式 ,所以应用Ｂ .Ｃ .柯尔萨可夫方法进行计算 .计算过程如下 :1.计算切削力ＰＺ(Ｎ) :车削螺纹的切削力比车削外圆的切削力要大的多 ,因此计算车削螺纹的切削力即可 .ＰＺ=9.81ｃＰｚＰｙＰｚｋＭＰ/ｉｎＦｚ=<9.81× 133× 3.175 1.7×(735 / 6 5 0 ) 0 .75>/ 90 .71=2 143Ｎ2 .计算切削扭矩Ｍｋｐμ(Ｎ .ｍｍ ) :Ｍｋｐμ=ＰＺＤ0 / 2 =2 143× 80 / 2 =85 72 0Ｎ .ｍｍ3.选取薄壁套筒定位面直径Ｄ(ｍｍ) :等于工件定位面直径Ｄ =Ｄ0 =70 .6ｍｍ4 .选取薄壁套筒薄壁部分的长度Ｌ(ｍｍ) :根据工件定位面长度而定 ,取Ｌ =4 0ｍｍ5 .计算薄壁套筒薄壁部分的厚度ｈ(ｍｍ ) :由于Ｌ >Ｄ/ 2 Ｄ =5 0～ 10 所以 ｈ =0 .0 2 5Ｄ=0 .0 2 5× 70 .6 =1.76 5ｍｍ6 .计算属于哪一类薄壁套筒 :2ｌｋ=2 .6Ｄ(ｈ/Ｄ) 0 .5=2 .6× 70 .6× (1.76 5 / 70 .6 ) 0 .5=2 9ｍｍ Ｌ >2ｌｋ所以该薄壁套筒属于长套筒 ,以下计算均按照长套筒Ｂ .Ｃ .柯尔萨可夫方法进行 .7.计算薄壁套筒的最大允许变形量 ,即套筒薄壁中间部分的弹性变形极限ΔＤ(ｍｍ) :对于结构钢套筒 ΔＤ=σＴ/Ｅ =0 .0 0 2Ｄ =0 .141ｍｍ8.计算薄壁套筒与工件的最大配合间隙δ3 (ｍｍ) :选取工件定位孔与套筒之间的配合为Ｆ8/ｈ7,因此δ3 =Ｄｍａｘ-ｄｍｉｎ=0 .0 76 +0 .0 30 =0 .10 6ｍｍ9.计算夹紧过盈量δＨ(ｍｍ) :δＨ=ΔＤ -δ3 =0 .141- 0 .10 6 =0 .0 35ｍｍ10 .计算工作时套筒与工件接触面的长度ｌ(ｍｍ) :ｌ=Ｌ - 2ｌｋ<δＨ/ (δＨ+δ3 ) >0 .5=4 0 - 2 9<0 .0 35 / (0 .0 35 + 0 .10 6 ) >0 .5=2 5 .6ｍｍ11.计算接触系数α :α =ｌ/Ｌ =2 5 .6 / 4 0 =0 .6 412 .计算套筒所能传递的最大扭矩 :Ｍｋｐ(Ｎ .ｍｍ ) :Ｒ≈ 0 .0 5Ｄ 取Ｒ =4ｍｍ ｍ =ｈ/Ｒ =1.76 5 / 4 =0 .4 4Ｍｋｐ=5× 10 6ｍ1.5δＨＤ2 =5× 10 6× 0 .4 4 1.5× 0 .0 35× 70 .6 2 =1.7× 10 8Ｎ .ｍｍ该值远大于切削扭矩Ｍｋｐμ,所以前面各参数可选 .13.计算为了夹紧工件 ,套筒内腔所需的单位压力Ｐ(Ｎ .ｍｍ2 ) :由于 ｌ=2 5 .6ｍｍ >0 .3Ｄ =2 1.2ｍｍ 所以Ｐ =2ΔＤＥｈ/Ｄ2 =2× 0 .141× 2 .1× 10 5× 1.76 5 / 70 .6 2 =2 1Ｎ·ｍｍ2Ｐ值不超过当定位面直径为 70 .6ｍｍ所规定的单位压力35Ｎ·ｍｍ214.计算轴向夹紧力Ｑ(Ｎ) :Ｑ =10 7ｍ1.5δＨ Ｄ =10 7× 0 .4 4 1.5× 0 .0 35× 70 .6 =7.2× 10 6Ｎ15 .计算台肩支撑厚度ｈＣ(ｍｍ) :选取ｈＣ=8ｍｍ ,符合Ｄ1/ 3 +ｈ≤ｈＣ≤ 2Ｄ1/ 3 +ｈ - 116 .计算台肩支撑宽度ｌＣ(ｍｍ) :ｌＣ≈ 2 .5Ｄ1/ 3 取ｌＣ=12ｍｍ17.计算薄壁套筒的定心精度ｅ(ｍｍ) :薄壁套筒的定心准确度可用Ｂ .Ｍ .卡肖夫公式进行计算 .ｅ =ｋＰＤ2 Δｈ/Ｅ4ｈ2式中 :ｅ薄壁套筒的偏心量 (ｍｍ ) ｋ系数 ,通常ｋ =0 .85～ 0 .97Ｐ薄壁套筒内塑料压力 (Ｎ·ｍｍ2 )Ｄ薄壁套筒定位面直径 (ｍｍ)Ｅ套筒材料的弹性模数 (Ｎ·ｍｍ2 )ｈ套筒薄壁部分的厚度 (ｍｍ)Δｈ套筒薄壁部分的壁厚差 (ｍｍ) ,取Δｈ为 0 .0 5ｍｍ所以ｅ =0 .9× 2 1× 70 .6 2 × 0 .0 5 / 2 .1× 10 5× 4× 1.76 5 2 =0 .0 0 18ｍｍ可见 ,该薄壁套筒的定心准确度是比较高的 .实际应用时 ,还要考虑夹具本身的制造精度以及机床方面的误差 ,塑料配制不准确等 .即便如此 ,该液性塑料定心夹紧机构也是完全可以满足使用的 .液性塑料定心夹具的其他计算较为简单 ,在此不再赘述 .4 液性塑料的配制液性塑料的性质应满足以下要求 :1.具有足够的稠度和韧性 ,受较高压力时 ,不会从柱塞孔和螺纹缝隙中漏出 ;2 .具有不可压缩性 ,高压下不分解 ,并能将压力均匀传递到各处 ;3.具有足够的流动性 ,在稍受压力时能自由在腔孔内流动 ;4 .在较低的温度下 (一般 12 0°～ 140°Ｃ)就能由塑性状态转变为液性 ,使其向夹具内浇注不易产生气泡 ;5 .一般储存条件不发生化学变化 ,工作中 ,不与金属发生反应 ;6 .长期使用可保持其物理性质 .因此 ,液性塑料通常由 4种成分组成 :
聚氯乙烯树脂 (基本塑料 )、磷苯二甲酸二丁脂 (增塑剂 )、
硬脂酸钙(稳定剂 )、真空油 (润滑剂 ) ,可以达到上述要求 .我们实际采用的配方如下 :聚氯乙烯树脂 15 % ;磷苯二甲酸二丁脂 83% ;硬脂酸钙 2 % ;真空油 适量 .它的性质中软 ,压力在 2 0Ｎ·ｍｍ2 时应用较好 ,较适用于压力传递较近的车床夹具 ,其工作温度在 10°～15°Ｃ时最为合适液性塑料的具体制造过程如下 :将聚氯乙烯树脂和硬脂酸钙混合均匀 ,把混合物倒入磷苯二甲酸二丁脂中慢慢混合 ,搅拌均匀 ,将所得到的混合物在室温中存放 2 4ｈ以上 (时间越长越好 ) ,使聚氯乙烯树脂在增塑剂中充分膨胀 .再经过半天时间 ,将存放混合物的容器放入油锅内加热 ,在加热过程中不断搅拌 ,以免塑料烧焦或硬化 .在加热时 ,盛放塑料的容器一般采用铝制的或瓷制的 ,这是避免铁、铜容器加速聚氯乙烯树脂的分解 .塑料在油锅内要加热到 140°～ 15 0°Ｃ ,直至聚氯乙烯树脂完全熔化为止 .加热和再熔化塑料时 ,应注意通风避免中毒 ,因为塑料加热过程中可以析出氯化氢有害气体 .熔化好的塑料应该立即注到夹具中 .为保证塑料的流动性和避免局部缩孔的形成 ,在浇注前将夹具预热到 130°～ 140°Ｃ ,然后就可以浇注了 .我们采用的唧筒式浇注工具如图 4所示 .5 总 结实践证明 ,上述液性塑料定心夹具的设计是可行的 ,保证了零件加工的需要 .但应注意的是 ,在夹具加工过程中 ,特别是薄壁套筒时 ,必须严格控制其薄壁部分的壁厚差小于 0 .0 5ｍｍ ,否则会产生定心的不准确一种液性塑料定心夹紧机构的设计@吴海涛$中国电波传播研究所!河南新乡,453003
@梁汉新$中国电波传播研究所!河南新乡,453003
@张亚军$中国电波传播研究所!河南新乡,453003
液性塑料定心夹紧机构;;薄壁套筒;; 计算本文探讨液性塑料定心夹紧机构在实践中的应用1 孟少农等.机械加工工艺手册
.北京:机械工业出版社,1991
2 龚定安,蔡建国.机床夹具设计原理.西安:陕西科学技术出版社,1981
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