汽车钟形壳球面难加工？不够圆润？那就盘它呗

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随着汽车工业的快速发展,等速万向节的市场需求日益增加,产量逐年增长。

图1 等速万向节

钟形壳是等速万向节主要组成部分,其内球面沟槽形状特殊复杂,零件的生产批量大，但国内有关钟形壳的制造行业发展比较缓慢,存在生产成本较高、生产效率较低的缺陷。

在这里给大家分享一种提高钟形壳质量和生产效率的精磨夹具设计案例。

夹具设计方案分析

1. 某钟形壳工件结构模型

某钟形壳模型如图2所示,图中可以看出钟形壳外壳形状比较复杂,6个球面沟槽平均分布在钟形壳内表面,要达到钟形壳的加工精度、生产效率,就需要对加工设备提出较高的要求。

图2 钟形壳三维模型

2.工件自动弹出机构的创新设计

钟形壳加工完成后,弹性夹头松开,但是工件大部分还留在夹具内部,如靠人工取出比较麻烦,降低生产效率。

为解决土述实际问题,设计了自动弹出机构，如图3。导向套的存在,保证顶尖在中心线的位置移动,提高夹具定位精度。圆柱销使顶尖固定在原来的位置,也能起预紧弹簧的用。精磨完成后,弹性夹头在油缸的作用下松开,工件在螺旋弹簧的作用下被顶出,减少取件时间,提高生产效率。

图3 自动弹出结构示意图

3.不同尺寸零件加工辅助机构

加工不同外圆直径的钟形壳时,传统设计是更换弹性夹头,操作繁琐,耗时长,降低了工件生产效率。为了节省时间,提高效率,对此需要设计一个适用不同尺寸零件加工辅助机构。

图4 适用不同尺寸零件加工辅助结构示意图

见图4,定位块1可有效地调节钟形壳和夹具之间的径向间距,定位块2可以调节轴向间距,能加工不同尺寸的钟形壳,达到提高夹具通用性和工件生产效率的目的。

4.新型夹具总体结构及工作原理

1. 锁紧螺母 2.碟形弹簧 3.拉杆 4.端齿盘 5.油缸

6.螺旋弹簧 7.顶尖 8.同步带 9.弹性夹头 10.定位块

图5 新型夹具总体结构示意图

（1）调节锁紧螺母1使碟型弹簧2产生一定变形量,弹簧片径向胀开产生的轴向力使弹性夹头9将钟形壳夹紧；

（2）分度时,油缸5松开,同时端齿盘4的移动齿与固定齿松开,同步带8带动钟形壳转动分度,分度结束后,油缸夹紧,端齿盘进行定位；

（3）工件完成加工后,弹性夹头松开,在螺旋弹簧6的作用下,顶尖7将钟形壳顶出；

（4）调节定位块10可加工不同外径尺寸规格的钟形壳。

此夹具能实现快速装夹,自动定心夹紧钟形壳工件,定位精度高,加工完成后,自动顶出工件,缩短土下料时间,提高钟形壳工件生产效率。

弹性夹头的结构设计

上文提到的弹性夹头自动定心装置是利用圆锥形套筒的弹性变形引导工件自动定心夹紧的装置，弹性夹头是主要应用元件。

设计弹性夹头时,弹性部分的瓣数、厚度及直径都会对工作性能起决定性影响。为了保证其工作性能良好，应根据钟形壳工件参数合理地设计弹性夹头的各主要尺寸。

图6为一般标准的弹性夹头结构。

图6 标准弹性夹头结构示意图

弹性夹头瓣数n需要根据所夹的工件直径d来确定。

表1 弹性夹头瓣数选取

在通常情况,弹性夹头的弹性部分厚度取1.5~3mm,但由于钟形壳直径较大,为保证弹性夹头的弹性与强度,可取厚度为3mm。

最后，根据弹性部分厚度及夹具结构允许的条件确定弹性部分直径，当然在设计直径的时候，考虑弹性夹头与钟形壳之间需两边各留5mm空隙放定位块以方便加工直径尺寸存在偏差的工件。

图7 弹性夹头模型示意图

弹性夹头静力结构有限元分析

由于夹紧力产生的细微夹具变形和工件变形都会影响到工件的加工精度，钟形壳球面沟槽精磨属于高精度加工,对夹具抗变形力有较高要求。通过ANSYSWorkbench对弹性夹头进行静力学分析,分以下几个步骤：

(1) 模型建立:在SOLIDWORKS中建立弹性夹头和钟形壳的模型,进行装配,然后导入ANSYSWorkbench中进行有限元分析。

(2) 参数设定:采用六面体单元划分网格,最后生成的模型包含64048个单元,232690个节点。弹性夹头参数如表2所示。

表2 弹性夹头材料参数

(3) 约束和载荷的施加:在弹性夹头的弹性部分均匀施加夹紧力2083N,选择除弹性部分的杆作为固定支承。

具体的应力图和变形图如图8和图9所示。

图8 弹性夹头应力图

图9弹性夹头变形图

从图中可以看出：

1.弹性夹头的最大应力为5.76MPa,发生在弹性夹头内侧底部,满足材料强度、刚度条件；

2.弹性夹头的变形量最大为0.0129mm,发生在弹性夹头的弹性部分顶部,变形量从大端到小端依次变小，这也验证了有限元分析的正确有效性。

（来源夹具侠）

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