法兰盘专用夹具应用设计探讨

摘要：本文分析了489型常用法兰的工艺特性，并针对489型法兰的工艺特性设计了车削专用夹具，该夹具体现了定位精度高、装夹方便效率高的特点。

关键词：工艺分析 定位基准选择 安装夹紧

1 法兰装夹方式

1.1 直接安装法 法兰加工可直接安装在机床工作台或者通用夹具（如三爪卡盘、四爪卡盘、平口钳、电磁吸盘等标准附件）上，不另行找正即夹紧，例如用三爪卡盘直接夹紧法兰的外圆或撑内孔，用这种方法安装工件时，找正比较费时，因此辅助时间会多一些，且定位精度的高低主要取决于所用工具或仪表的精度，以及工人的水平，定位精度不易保证，生产率较低。

1.2 用专用夹具安装 对于生产批量较大的法兰加工，有必要为法兰的加工设计专用夹具，法兰安装在为其加工专门设计和制造的夹具中，无需进行找正，就可以迅速而可靠的保证法兰对机床的刀具的正确位置，并可迅速夹紧。虽然设计和生产专用夹具需要一定的设备和资金投入，但由于批量大，这些消耗可以由法兰所创造的利润来抵消。

下图就是489法兰安装在夹具中的示意图：

2 每一加工工序的装夹过程及基准的选择

2.1 夹具要求 用专用夹具来装夹法兰，不仅能保证法兰在机床上的定位精度（一般可达0.01mm），而且装卸方便可以节省大量辅助时间。工件的装夹可根据工件加工的不同技术要求，采取先定位后夹紧或在夹紧过程中同时实现定位两种方式，其目的都是为了保证工件在加工时相对刀具及切削成形运动（通常由机床提供）具有准确的位置。

489法兰为回转类零件，对圆跳动有要求，可采用三爪卡盘在夹紧过程中实现定位，三爪卡盘的夹紧为定心夹紧，它使法兰在夹紧的同时实现定位。

2.2 装夹过程 以489法兰为例，说明法兰的装夹过程和各工序尺寸的验算。

工序一、二分别有外协车间和角磨机完成，可规为辅助工序。

粗车大端，所用设备为普通车床CA6136.法兰在三爪卡盘上夹紧的同时实现定位，这是对于粗加工而言，由于粗加工无需保证很高的精度，本次生产的法兰毛坯在进入机械加工车间之前已经进行了喷丸处理，因此应经有了一定的精度，无需进行荒加工（去皮），所以此时粗加工只是用于切除大部分余量，只要为后续工序留下足够而均匀的余量即可。三爪卡盘限制工件的个自由度，x轴移动，y轴移动、Z轴移动和转动，由于工件在加工过程中要作回转运动，所以绕x轴转动自由度不用限制，这属于不完全定位，在工件的定位中这是允许的，因为法兰的沿X轴转动自由度是构成工件回转运动的条件，这个自由度被限制就不能进行加工了。

粗车小端。所用设备为普通车床CA6136，法兰仍然用三爪卡盘夹紧定位，但由于法兰的外径比较大，不便实现外圆定位，所以这次是三爪卡盘的正爪撑内孔，将大端面取为基准，选择已加工表面做为基准可以保证后续加工的加工精度，所限制的自由度为x轴移动，y轴移动和转动，z轴移动和转动，同样是保留x轴转动自由度不受限制，属于不完全定位。

精车大端，所用设备为普通车床CA6136，法兰小端外圆直径为Φ168mm，故可以实现外圆定位，所以用三爪卡盘反爪夹紧小端外圆实现定位，所选用得基准为小端端面由于小端端面是以经过加工的大端端面为基准加工的，所以精车大端时选其为精基准是很好的，因为基准精度高有利于保证加工表面的加工质量。

铣槽和孔，所用设备为加工中心。法兰用专用夹具FL01定位及夹紧。夹具底板限制x转动，y转动，z移动三个自由度，定位销限制x移动和y移动两个自由度，上面压块和旁边压块限制z转动，这个定位属于完全定位。这个工序选择的基准为小端端面，这一工序的加工元素是槽和孔，只需进给一次就够了，所以定位要求高，夹紧要求也高，这就需要有精度较高的基准，以保证法兰这些元素的加工精度。法兰的定位简图及夹具简图（2）如下：

钻螺纹孔和标牌孔。所用设备为加工中心，法兰用专用夹具FL02定位。夹具底板限制x转动、y移动、z移动三个自由度，圆周围定位销限制z转动，x移动、y移动三个自由度，该定位属于完全定位，完全定位要求工件在加工 过程中法兰的位置尽量不发生变化，以保证法兰在夹紧之前就占据的正确位置。法兰的定位简图及夹具简图（3）如下：

对于不同型号的法兰，要考虑它们之间的差别，尤其是比较明显的差别，如有筋板和无筋板结构，就有必要对夹具进行适当调整，使其适应不同的加工要求，本次设计的夹具能够达到上述要求。

另外夹具还必须能够保证工件定位精度及在机床上有正确的位置，这个要求除了设计必须合理以外，对于夹具的制造精度也有要求，夹具的制造精度必须高于工件的制造精度。

3 夹具设计

3.1 问题的提出 针对489法兰所用夹具的设计问题。489法兰要求加工的面有内孔、孔底、大端端面、小端端面、大端外圆、小端外圆、沉孔、螺纹孔、标牌孔、油槽、止口等，要实现这些加工需要分别限制法兰的自由度，使工件在加工过程中既能找到正确的位置，又不会因为夹紧力和切削力的影响破坏原来的定位。为了提高夹具的通用度，我们可把夹具的整体结构固定，只是在加工不同工件时，根据工件结构与尺寸的变化稍作调整，这样既能利用专用夹具提高加工精度和加工效率，又能尽可能节省成本，减少预算。这四个法兰中，488与494属于有筋板结构的法兰，489与495没有筋板结构，大端与小端连接处是圆弧连接以提高强度。除了尺寸不同外，489与488，489与495可以用同样的夹具。针对比较明显的差别，比如有筋板和无筋板结构，就有必要对夹具进行适当调整，以加工不同的零件。

另外夹具还必须能够保证工件定位精度及在机床上有正确的位置，这个要求除了设计必须合理以外，对于夹具的制造精度也有要求，夹具的制造精度必须高于工件的制造精度。

3.2 本夹具的主要组成部分 定位元件：它是指使法兰在夹具中占据正确的位置的元件，只要将法兰的定位基面与夹具上的定位元件紧密接触或相配合，就可以使法兰定位。夹紧机构：它是指能够使法兰在受到加工过程中的各种作用力（夹紧力、切削力等）时，能够保持原来已经获得的正确位置，它的作用就是无论外界的力发生什么变化，没有加工要求时，法兰的位置就不能变化，这样才能保证法兰的加工精度。导向元件：它是指在加工法兰时用来确定所使用的刀具的位置的元件，在本次加工中法兰要安装在专用夹具上加工，所以导向元件的作用还包括确定刀具相对于夹具的位置。夹具体：装夹法兰的所有夹具中有一个共同的组成部分，这就是夹具体，夹具体负责把组成夹具的所有元件和装置连接起来组成一个整体的基础零件，另外一个作用就是负责把夹具与加床连接起来，保证整个夹具在机床上占据正确的位置，从而为保证法兰加工提供条件。

3.3 本夹具设计简介 夹具的作用可以简述如下：法兰直接在夹具上安装，可以避免因机床进度不够造成的工件的误差太大，例如，489法兰在装夹过程中，如果采用三爪卡盘定为和夹紧工件，那么由于三爪卡盘都有一定的误差，这对于精加工时不好的，但是这样的条件对于粗加工是足够的，所以在前面的粗加工工序中，基本上全是用三爪卡盘装夹的，对于后面的精加工工序，则为了达到图纸要求，就设计了专用夹具进行装夹，专用夹具应用可以减轻工人操作强度，降低对工人的技术要求，因为在夹具上安装好以后，工件的位置就是由夹具来保证的，工人只需要在机床上找到夹具的正确位置即可，而夹具体与机床的安装时很简单的，例如，本次加工中的精加工，由于法兰在普通车床上的安装不能满足加工要求，因此设计了专门用于法兰在车床上安装使用的夹具，所以对工人要求不是很高（夹具简图如上图1）。

夹具的结构由底板、定位元件，定位块和压紧元件组成，由于法兰的结构相似，在制造夹具时考虑了成组性，即同样的夹具可以用于不同型号的法兰的应用，主要就是要调整底板上装夹销钉的孔的位置，494和488法兰的最大外径为Φ365mm，489和495法兰的最大外径为Φ310mm，因此加工时之需要更换定位块和定位销的位置即可。

参考文献：

[1]王选逵.《机械制造工艺学》.机械工业出版社.2007.

[2]傅玲梅.《机床夹具与设计》.中国劳动保障出版社.2008.

[3]邓文英，郭晓鹏.《金属工艺学》.北京出版社.2005.

[4]本洪.《机械加工工艺手册》.北京出版社.1996.

[5]周玉凤，杜向阳.《互换性与技术测量》.清华大学出版社.2008.

作者简介：郭旭东（1963-）男，山东烟台市人，助教，机械设计及其自动化。