——以曲轴加工中的夹持技术为例
Achieving a suitable clamping solution according to the machining requirement and characteristic of work piece is a key point to efficient performance precision machining. The writer analyzes how to apply the advanced clamping technology to solve the clamping problem of bent axle, making it possible to complete all the turning processing of crankshaft on a nip.
机械制造行业需要提高对工装夹具的认识
在欧美工业发达国家，人们对这三个环节都非常重视。但是，在中国机械加工领域里，许多业内人士却经常对夹具不够重视。人们通常认为，机床最重要，因为没有机床根本谈不上加工；刀具也重要，因为材料是靠刀具去切削的；而夹具无非是把工件或刀具夹紧固定一下而已，没有太多的讲究。这是中国机械制造行业里的一个极大的误区。
事实上，夹具在这三大环节中，是内容最丰富、变化最多的一个环节。因为机床和刀具的种类是相当有限的，而被加工的工件却是千变万化的。针对不同工件的加工要求和被加工工件的特点合理制定夹持方案，是实现高效精密加工的重要因素。这里需要考虑多方面的问题，如：对被加工工件的加工精度要求；被加工工件的形状特点；被加工工件的材质；加工时的环境因素；生产批量和生产节拍的要求等等。尤其对一些形状复杂的工件或薄壁工件，如何解决其加工时的夹持问题，往往成为能否实现加工的关键问题。
在中国的汽车制造工业、航天航空制造工业、模具制造工业等金属切削加工领域里，装备有大量的代表国际先进水平的机床设备和刀具。但是，夹具的使用仍然停留在比较落後的状态。所以，现有的先进设备和刀具大多没有真正充分发挥它们的潜力。许多情况下不是因为对使用先进的工装夹具没有足够的经济承受能力，而是没有精神承受能力，是没有认清其重要性所致。所以说，这是一个观念问题。“技术无国界”，而我们现在面对的是因“观念的不同”而造成的界限，这需要用更大的力气去打破。而打破这个界限，让中国的机械制造业充分重视先进工装夹具的使用，这对中国现有机械制造水平的提高会起到很大的推动作用。
下面以曲轴主轴径和连杆径的加工为例，来说明高效夹具在现代加工中对提高加工效率所起的重要作用。
曲轴主轴径车削加工的高效夹持方案
曲轴是汽车发动机的重要零件，是一种量大面广的产品。采取合理的夹持方案能够有效地提高其加工质量和加工效率。曲轴的结构特点是：首先连杆径与主轴径不在同一轴线上，并且存在较大的偏心；其次，多缸内燃机曲轴的连杆径按不同相位分布；再次，曲轴上除了各主轴径和连杆径需要加工外，还需要加工分布复杂的润滑油路。这些特点大大增加了曲轴加工的难度。在传统的曲轴加工工艺中，要完成一个曲轴的全部金属切削加工需要多台机床、多次装夹。而采用先进的工装夹具，就可以大大简化加工工序、减少装夹次数、提高生产效率。
在曲轴传统加工工艺中车削主轴径之所以需要二次装夹、掉头加工，是因为卡盘夹持端被夹持部位无法得到加工。因此，一个自然的想法就是，当加工到卡爪夹持部分时，是否可以让卡爪让开。如果能做到这一点，则可以制定如下加工工艺方案：
（1）对毛胚件铣两端面，打中心孔；
（2）两顶尖顶起曲轴，并且两端同时以卡盘夹持，如下图所示。加工中段主轴径及轴肩端面自然没有问题，当需要加工右端被夹持部位时，该端卡爪松开并後撤，空出所需加工部分，进行加工；与此同时，左端卡盘保持夹紧状态，以承受切削力所产生的转矩。加工左端被夹持部位，亦采用类似的步骤进行：左端卡爪松开并後撤，右端卡爪夹紧以传递转矩。
二顶二夹的高效夹持方案
由此可见，采用上述工艺方案，只需一台机床，通过一次夹紧即可完成所有与主轴径同轴的直径及其相应轴肩部分的车削加工。其生产效率可以得到明显提升，并且可以更好地保证加工精度。为了实现上述工艺方案，我们对卡盘提出如下要求：
（1）卡爪可以後撤；
（2）卡爪具有浮动夹持的功能。
要求卡爪具有浮动夹持功能的原因是：曲轴的中心孔无法保证准确地位於被夹持外圆的中心位置。所以，当二顶尖顶起工件定轴线後，卡爪不以顶尖孔为中心夹持，而是在被夹外圆所处的位置上夹持该外圆（即卡爪只夹持不定心）。这一功能称为浮动夹持功能。下图为德国罗姆公司（Roehm）生产的卡爪後撤式浮动卡盘。
卡爪後撤式浮动卡盘nextpage
该卡盘为一带顶尖的“纺锤式”浮动卡盘。“纺锤”的中段以球铰支撑，下端以斜面驱动，从而实现安装於“纺锤”上端的卡爪的夹紧与放松运动。“纺锤”与球铰之间为一圆柱面滑动副，以使“纺锤”能够在轴线方向实现伸出和缩进的运动。“纺锤”的伸缩运动与卡爪的夹紧、放松运动分别由拉杆2和拉杆1驱动。其工作原理如图所示。
卡爪後撤式浮动卡盘工作原理图
曲轴主轴径和连杆径车削加工的高效夹持方案
在曲轴加工中，还可以使用一种双分度卡盘在一次夹紧的情况下，实现所有主轴径和连杆径的车削加工。下图为德国罗姆公司（Roehm）生产的专门用於曲轴主轴径和连杆径车削加工的双分度卡盘。该卡盘有5 个卡爪，其中两个卡爪用於曲轴的角向定位，另三个卡爪用於夹持曲轴传递转矩。卡盘的顶尖可以自动伸缩，上下料时顶尖缩进盘体；工件上料送到位置後，顶尖伸出顶起工件。使用该卡盘，既可实现对中夹持（即工件的轴线与卡盘的中轴线一致），也可以实现工件的偏心夹持。此外，其偏心距在一定范围内无级可调，以实现对不同偏心距曲轴的加工。
无级可调偏心距的双分度卡盘
下述双分度卡盘的工作原理如下图所示。该卡盘由一个大盘体加一个偏心中盘体和一个偏心小盘体组成。顶尖和夹持机构位於小盘体内。通过中盘体的分度，可使小盘体置於大盘体的中心位置，也可以使小盘体置於最大偏心位置；同样，中心位置与最大偏心位置之间的任意偏心位置均可通过中盘体的无级分度而实现。卡盘的分度由机床的液压系统自动控制。在实际应用中，这种卡盘通常分左右两个成对使用。当需要加工主轴径时，通过中盘体分度将小盘体置於大盘体的中心；当需要加工某一相位的连杆径时，首先通过中盘体分度将小盘体置於所要求的偏心位置，以使被加工的连杆径处於机床主轴的轴线上；而当需要加工其它相位的连杆径时，则通过小盘体分度将该相位的连杆径转到机床主轴的轴线上来。由此可见，采用这种双分度卡盘可以大大提高加工效率，而且非常有利於加工自动化的实现。
双分度卡盘工作原理图
曲轴是内燃发动机的重要零件，在其加工工艺的制定和实施中，夹持方案的优劣直接影响到曲轴的加工精度和加工效率。在传统的加工工艺中，由於缺乏先进的夹持技术，而使得曲轴加工的效率和质量都受到了很大的限制。本文介绍的卡爪後撤式浮动卡盘和分度卡盘为曲轴的高效加工提供了理想的夹持方案，在大大提高生产效率的同时，还可靠地保证了曲轴的加工精度，而且能够减少加工所需机床的数量。本文所介绍的夹持技术的思路，同样可以应用到曲轴的其它加工中，如主轴径和连杆径的高频淬火，曲轴油路的加工等。这种夹持技术在曲轴加工中的推广必将为中国汽车工业的发展带来明显的经济效益。
