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戰略合作單位:

 

LED燈罩殼體專用夾具的優化設計

時間:2021-02-08   來源:《模具工業》   作者:溫滬斌   瀏覽次數:586

溫滬斌

(惠州市技師學院)

摘要:對數控機床加工LED燈罩殼體的專用夾具結構進行優化設計,將燈罩殼體車削外圓、端面、內孔和拋光外觀面2個工序整合為一體,并對優化后的夾具進行定位分析、受力分析、誤差分析等。經實踐檢驗,該夾具操作簡捷方便、定位準確可靠,改進的加工工藝既能保證零件的加工質量,又能提高生產效率,取得了良好的經濟效益。

關鍵詞:LED燈罩殼體;薄壁鋁件;專用夾具;彈簧卡扣;彈性脹套

 

0 引言

零件為典型的LED燈罩殼體,如圖1所示,材質為鋁合金,機械加工前的毛坯件由壓鑄成型,毛坯件如圖2所示,零件結構簡單,屬于典型的薄壁鋁合金件,材質較軟。零件直接在數控車床上用三爪卡盤裝夾易變形,實際加工中受切削力及切削熱的影響產生振動和熱變形,影響零件的最終加工尺寸精度。為提高生產效率,改進加工工藝,設計了一套專用夾具,經過反復調試,解決了零件裝夾的難題,提高了工作效率,滿足了實際加工的需求。

1 零件工藝分析

1.1 零件分析

LED燈罩殼體最終成品如圖3所示,形狀簡單,尺寸精度要求不高,一般公差采用IT12-14,但厚度約為2mm,屬于薄壁零件,外觀面A面粗糙度值為Ra0.8μm,精加工前的毛坯件由壓鑄成型,待加工零件的表面加工余量約0.3mm,鑄件表面較粗糙,表面有毛刺和氧化。

(1)φ71mm燈罩外圓、φ100mm凸緣,φ66mm燈泡卡位,φ68mm內孔,凸緣兩側A、B端面,外圓端面C和0.4mm×2mm彈簧卡扣槽等均由數控車床加工完成。由于生產批量大,結合鋁型材零件加工特點,選用YG鎢鈷類刀具加工。

(2)外圓有2處T形槽由沖壓成形,凸緣外端面A(除去兩處倒角)需要噴砂氧化處理,A面有2處倒角2.2mm×0.15mm和4mm×0.3mm需高光處理,此部分選用氧化鋁陶瓷高光刀具加工。

1.2 零件加工順序

零件加工順序:車削外圓、凸緣、燈泡卡位、彈簧卡扣槽、凸緣兩側端面A、B、外圓端面C→凸緣左側端面A(外觀面)噴砂氧化→A面兩處倒角高光處理→沖壓外圓上2個T形槽。

1.3 工藝難點分析

(1)零件裝夾困難,直接用三爪卡盤裝夾,薄壁鋁件在夾緊力的作用下易變形。

(2)雖然零件尺寸精度要求不高,但是在加工中受到切削力和切削熱的影響,零件易出現振動和熱變形。

(3)零件外觀面易變形,平面度超差嚴重,會對零件加工質量造成影響。

(4)為防止零件在加工中出現振動彈刀,加工時需降低進給速度,這會影響生產效率。

2 優化前方案

若采用三爪卡盤裝夾,零件無法加工,根據常規薄壁件加工方法設計一套夾具,該夾具分成2副,如圖4所示,其加工步驟如下。

(1)零件裝在第1副夾具上,通過彈性筒夾夾緊毛坯凸緣約1.2mm(凸緣厚度2.3mm,留出1mm避空),φ71mm車削外圓、φ68mm內孔、凸緣右端面B、外圓端面C、0.4mm×2mm彈簧卡扣槽等加工。

(2)零件裝在第2副夾具上,通過彈性脹套脹緊已加工好的φ68mm內孔,車削凸緣左端面A。

(3)凸緣左端面A噴砂氧化處理。

(4)零件再次裝在第2副夾具上,通過彈性脹套脹緊已加工好的φ68mm內孔,對兩處倒角、φ66mm燈泡卡位進行車削。

上述方案能完成燈罩殼體的車削,零件未發生變形,表面質量也能達到客戶要求,但整個流程需要4道工序,第2副夾具還要裝夾2次,加工過程比較繁瑣,生產效率達不到要求。

3 優化后方案

3.1 選擇定位元件

根據需加工部位的特點,定位元件選用彈性脹套和定位套,彈性脹套在受力時發生均勻脹大,零件夾緊力度均勻穩定,即可消除5個不確定度(X和Y向移動不確定度,X、Y和Z向轉動不確定度);定位套則消除1個不確定度(Z向移動不確定度),累計消除6個不確定度,如圖5所示。經上述分析,此夾具定位穩定可靠,滿足6點定位法則。

3.2 夾緊方案與夾緊力分析

夾具動力源選用旋轉式液壓缸,液壓缸活塞桿帶動拉桿向左運動,拉桿作用于錐面使彈性脹套產生徑向變形,將零件脹緊,具體夾緊力可通過調節液壓缸活塞桿設置。

圖6所示為脹套的力學模型,其中F是液壓缸工作時所施加的拉力,α是脹套錐角,N是脹套外圓面與零件內孔接觸時產生正壓力,f是由上述正壓力所產生的摩擦力,RNf的合力,也稱全反力,φRN的夾角。

為了分析脹套的受力狀態,取圖6所示的模型進行分析(取外環),圖6中R為脹套在液壓缸活塞桿拉力F的作用下內外錐面上所產生的正壓力N和摩擦力f的合力,其中N和R的夾角φ,即摩擦角φ=arctanμ,式中μ為摩擦因數,鋼材μ取0.1~0.12。由受力平衡條件可得下式:

N=Ftan(α+φ)+tanφ

該夾具中摩擦因數μ取0.12,得φ=6.84°,脹套錐角α=25°代入上述公式得:

N=Ftan(12.5+6.84)+0.12≈2.123×F

則摩擦力f=N/cosφ×π×d×L=1.1×10-3F切削FC,式中L≈2.5mm。

燈罩殼體是薄壁鋁件,質量小,僅有0.3mm加工余量,故所受切削力也小,且零件凸緣可支撐定位,夾緊方式采用彈性脹大。參考同類型夾具設計經驗值夾緊長度L取2.5mm,經查參考文獻,切削力FC=9.81CFC×αXFCp×fYFC×KFC,上式代入各參數得1.1×10-3×FFC,得出F≥554.55N,夾緊力分布如圖7所示。

4 夾具結構設計

考慮定位和夾緊的設計需求,該數控機床專用夾具由4個零件組成:彈性脹套、定位套、拉桿、連接套。

4.1 彈性脹套

彈性脹套以φ66mm×3.5mm外圓臺階與燈罩相應內孔配合定位,其左端車削M60mm×2mm外螺紋與連接盤鎖緊,中間有一個φ98mm凸緣加工4個M6mm螺紋孔用來連接定位套,凸緣右端面與定位套接觸。為了便于脹套旋入連接盤中,凸緣外圓應加工工藝錐孔,凸緣右側有φ68mm外圓與定位套對應內孔配合。在右端有25°內錐孔,同時為便于脹大變形,線切割4個1.6mm×35mm的槽,選用40Cr鋼作為其材料,為保證高彈性和疲勞強度,在加工零件最終尺寸后采用碳氮共滲+調質處理,使表面硬度達52HRC,彈性脹套如圖8所示。

4.2 定位套

由于燈罩殼體外觀面較大,如只依靠彈性脹套右端的小臺階面與燈罩大外觀面A定位則會出現定位不穩,現采用定位套實現零件軸向定位。定位套以左端面與彈性脹套接觸,以φ68mm內孔與彈性脹套配合。定位套左端φ98mm處在銑床上圓周分孔銑出4個沉孔用來連接彈性脹套,為了調用左偏刀車削燈罩外觀面A時加工面積最大,專門在定位套右端車出φ71.5mm×10.5mm避空位,如圖9所示。定位套材料選用45鋼,為了滿足所需的定位精度,加工零件最終尺寸后通過熱處理使表面硬度達50HRC。

4.3 拉桿

拉桿屬于標準配件,如圖10所示,其右端M16mm與液壓缸的連接件螺紋連接,左端25°錐面拉緊彈性脹套內錐面以產生均勻脹大,錐面內設有六角孔便于拉桿擰進與液壓缸進行連接。

4.4 連接盤

彈性脹套與機床主軸的配合必須同軸并可靠連接,通過上述分析可知,燈罩殼體尺寸精度不高,可直接采用連接盤與車床三爪卡盤連接。連接盤左端車出一個臺階面與卡盤端面軸向定位,以連接盤上φ62H7mm孔與彈性脹套左端φ62h6mm定位圓柱配合,將連接盤上的M60mm×2mm螺紋旋緊,使彈性脹套φ98mm凸緣的左端面與連接盤右端面接觸,此安裝方式定位準確,剛性好,如圖11所示。

5 夾具定位誤差估算

零件的φ71mm外圓、φ100mm凸緣、φ68mm內孔、凸緣左端面(外觀面)A、凸緣右端面B、外圓右端面C都是在一次裝夾中車削完成,其尺寸精度、形位公差取決于刀具質量和機床精度,與夾具定位無關,只有調頭車內孔φ66mm時的同軸度公差0.1mm才依靠夾具保證。

選用定心夾緊機構,燈罩殼體的定位基準、工序基準是所加工面的軸線,定位基準與工序基準一致,則基準不重合誤差[ΔB]=0。彈性脹套是定位、夾緊元件,無論各元件位于何位置,其軸線位置不變,故定位基準不改變,即基準位移誤差[ΔW]=0。因此燈罩殼體的定位誤差[ΔD]=[ΔB]+[ΔW]=0<0.13mm,所以優化后的2套夾具都可以保證大批量加工時的精度要求。

6 優化后夾具優點

優化后夾具如圖12所示,其優點如下。

(1)夾具放棄螺紋鎖緊方式,采用液壓缸活塞桿鎖緊,具有結構緊湊、鎖緊效果好等優點,不僅能快速裝夾大批量薄壁鋁件,而且克服因機械鎖緊導致螺紋失效的缺陷。

(2)夾具將改進前的車削外圓、端面、內孔和拋光外觀面A的2個工序整合為一體,改進了工藝,提升了加工效率。

(3)彈性脹套裝夾零件部分僅2.5mm,利用凸緣輔助支撐,經試驗驗證使用該夾具加工穩定、廢品率低,既縮短零件裝夾長度,同時盡可能增加一道工序的加工量。

(4)定位套右端定位零件的位置車削2個臺階φ75mm×18.5mm和φ71.5mm×10.5mm,既充分考慮左偏刀運行時的避空位,又增加一次裝夾加工中加工外觀面A的面積。

7 結束語

通過將LED燈罩殼體車削外圓、端面、內孔和光外觀面的2個工序整合為一體,改進加工工藝,優化夾具結構設計,提升了加工效率,并對優化后的夾具進行定位分析、受力分析、誤差分析、結構設計等。實踐證明,使用優化后的專用夾具加工效率約為優化前的1.5倍,夾具結構合理、夾緊迅速、操作簡便、運行可靠、廢品率低,實現LED燈罩殼體的高效率便捷化加工。

參考文獻(略)

 
 
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