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在机加工批量生产中，为较难装夹的零件设计与制作专用夹具，往往能保证生产质量和效率，起到事半功倍的效果。笔者针对生产中遇到的一个短轴零件设计了一套铣床专用夹具，解决了装夹难题。
一、短轴零件专用夹具设计的必要性
如图1所示为短轴的零件图及立体图，材料为铝，小批量生产，本工序是继外圆车削之后在普通铣床上加工工件右边一个6mm的径向孔和一个宽4mm深12mm的槽。在试加工时存在以下问题：
1.该工件材料为铝，硬度较低，直接在平口钳上装夹容易损伤，需用垫片做保护，效率低；
2.该工序装夹时可用于夹紧的部位只有左边20mm的外圆柱面，长度只有5mm，且离加工位置较远，夹紧欠稳固。
3.所加工的6mm孔的轴线应与槽的对称中心平面互相垂直，用划线再对刀加工的方法需进行两次装夹，较难保证垂直度与效率，对工人的技术要求也较高。
综上所述，该工件本工序用活动平口钳、三爪卡盘或一般的套筒夹具均难以实现装夹，虽为小批量生产，为了保证生产质量与效率，应设计制作一套专用夹具用于生产。
二、短轴零件专用夹具的设计步骤
1.分析加工要求，探讨定位方案
1）孔的轴线到工件大端面的距离为27mm，孔的轴线应与工件轴线相交以保证孔壁均匀，为未注公差。为了达到此要求，理论上应选取两个V形块分别定位工件两端的外圆，但是工件非常小，特别是工件小端外圆12处又有钻孔和銑槽的加工内容，为了不发生加工干涉，要求此V形块的尺寸小于4mm，加工难度比较大，可考虑直接用划线对刀的方法确定孔的轴线位置。
2）槽的对称中心平面与孔的轴线互相垂直，为未注公差。可设计夹具为可移动式，且夹具的整体为六面体类型，在加工好工件的孔后，无需拆工件，直接把工件与夹具整体翻转90度装夹再加工槽，可以快速又准确地达到要求。
3）槽的对称中心平面应与工件轴线重合以保证槽的两边厚度均匀，亦可用划线对刀的方法确定槽的位置；槽的深度12mm可通过操作铣床达到，宽度4（ 0.048/0）mm可由刀具保证。
综上所述，本工序加工的孔和槽的位置均用划线对刀的方法保证，而槽的对称中心平面与孔的轴线互相垂直则比较难保证，为了提高加工效率和质量，降低操作难度，设计夹具时可重点考虑这方面。
2.确定定位基准与定位方案
由于工件的两端外圆很短，则选用工件中部的外圆锥面作为定位基准。定位方案如图2所示，设计思路为：
1）采用圆锥孔定位工件的外圆锥面，限制五个自由度，并把定位孔对半分开成固定块与活动块，移动活动块可使其与固定块合并实现定位，在这两个定位块上与工件加工位置对应之处需开槽以预留加工空间；
2）固定块与活动块用夹具底座联接起来，夹具底座采用六面体结构且设计了台阶作为夹具在平口钳上的装夹位，加工好工件的孔后，可直接把工件与夹具整体翻转90度再次利用台阶部位作为装夹位进行装夹再加工工件的槽，解决了两次装夹工件较难保证孔与槽的垂直精度问题和效率问题。
3.确定夹紧方案
如上述定位方案中，利用圆锥孔与圆锥之间的自定心夹紧作用，定位的同时也夹紧，夹紧方案如图3所示。
1）固定块用螺钉固定联接在夹具底座左边的槽里，活动块则与夹具底座下方的导向板用螺钉固定联接，但活动块与导向板两者与夹具底座之间为滑动联接，在夹具底座中间的槽里可左右滑移而又不会脱离。为了实现活动块的滑移，需借助与之用紧定螺钉联接的螺杆的转动来带动，固定在夹具底座右边的螺孔板则对螺杆起到导向作用。螺杆与螺孔板之间的传动螺纹采用双线螺纹可提高装卸速度。
2）为防止工件在加工过程中由于受力而从大端处松脱，采用挡板上的锁紧螺钉对工件进行轴向锁紧，且锁紧螺钉应与工件在大端面圆心处接触。
4.其他元件
a.考虑到工件的定位精度要求为未注公差，精度不算高，且工件生产批量较小，为了降低夹具的加工难度及减少夹具的加工工时，因此把夹具底座与定位板做成分体式；
b.为便于操作者转动螺杆，可在螺杆头开两个互相垂直的孔便于穿入加力杆进行旋转；
c.为减少操作者与螺钉头的磕碰，所有的装配螺钉均采用内六角螺钉，且螺孔的沉孔均比螺钉头长度更深0.5～1mm；
d.挡板与固定块之间的装配螺钉应设置定位销，有利于在加工工件时出现螺钉稍微松动情况下仍能正常工作，甚至在夹具维修需拆装时，重新装配后的夹具仍能保证装配精度，这是螺钉联接中装配精度要求较高时常用的方法。
三、短轴零件专用夹具的总设计方案
1.装配图
1）装配图：夹具的爆炸图如图3所示，装配图如图4所示，其中图4的零件编号与图3的零件编号表示的零件是一致的，且均为非标准件。
2）装配过程：先分别把固定块、活动块与导向板、夹具螺孔板用螺钉联接在夹具底座上，再把挡板联接在固定块上，稍微拧入锁紧螺钉，然后把螺杆拧入夹具螺孔板再插入活动块右侧面对应的沉孔里，最后把紧定螺钉拧入活动块上方的螺孔以锁紧螺杆与活动块，使螺杆转动时带动活动块左右移动。
3）操作说明：先旋开螺杆带动活动块与固定块分开，把工件放入夹具定位孔中且紧靠档板，然后旋紧螺杆带动活动块与固定块合并实现定位与径向夹紧，再拧入锁紧螺钉实现轴向夹紧，再把夹具与工件整体搬至划线台进行划线，后在铣床平口钳上装夹夹具底座的台阶部分，用钻头加工孔；把夹具翻转90度装夹底座的台阶部分，换铣刀加工槽。
2.关键零件的零件图
1）活动块零件图
如图5所示为活动块零件图，其底部与夹具底座的槽的配合采用间隙配合H7/g6，定位锥孔轴线及11孔轴线到底部台阶部位的距离均要求精度IT7，定位锥孔的表面粗糙度值为1.6μm；所有棱边倒钝。
2）夹具底座零件图
如图6所示为夹具底座零件图，为保证活动块在其中间槽移动到左极限位置时能顺利地夹紧工件，中间槽的左部应比活动块的左极限位置还要左移3mm；为保证底座的底部台阶装夹位的两次装夹精度，应提高四个装夹面的表面粗糙度要求和相应的垂直及平行度要求至IT7。
3.其余零件加工要求
挡板上的销孔应按钻扩铰顺序使其精度达到IT6；固定块、活动块这两个零件硬度要求较高，用T8或T12钢，且需在粗加工后进行淬火 低温回火再进行精加工，其余零件均可用45号钢；锁紧螺钉的螺纹端部应磨平且淬硬；所有棱边倒钝。
4.配作说明
为保证夹具的装配精度，以下几个加工内容需进行配作：
1）固定块与活动块的其余内容加工好后，需配合夹紧再加工工件的定位孔和开槽；
2）档板与固定块这两个零件的连接螺孔和销孔的加工需待这两个零件其余内容加工好后，与夹具底座配合夹紧后再加工螺孔，然后利用螺钉联接固定后再加工销孔及挡板上与锁紧螺钉的配合孔。
四、结语
本夹具有以下优点：（1）结构小巧简单，制造和安装方便，从设计、制造、装配校验完成以及对工件试加工成功，整个过程只用了一周。（2）工人使用时操作方便，效率较高，一般的工人平均三分钟能加工出两件，每天一台机床出品400件左右。（3）能保证整批零件的质量稳定，每天300件的全检结果中平均有389件合格，合格率为97%。
责任编辑 朱守锂
一、短轴零件专用夹具设计的必要性
如图1所示为短轴的零件图及立体图，材料为铝，小批量生产，本工序是继外圆车削之后在普通铣床上加工工件右边一个6mm的径向孔和一个宽4mm深12mm的槽。在试加工时存在以下问题：
1.该工件材料为铝，硬度较低，直接在平口钳上装夹容易损伤，需用垫片做保护，效率低；
2.该工序装夹时可用于夹紧的部位只有左边20mm的外圆柱面，长度只有5mm，且离加工位置较远，夹紧欠稳固。
3.所加工的6mm孔的轴线应与槽的对称中心平面互相垂直，用划线再对刀加工的方法需进行两次装夹，较难保证垂直度与效率，对工人的技术要求也较高。
综上所述，该工件本工序用活动平口钳、三爪卡盘或一般的套筒夹具均难以实现装夹，虽为小批量生产，为了保证生产质量与效率，应设计制作一套专用夹具用于生产。
二、短轴零件专用夹具的设计步骤
1.分析加工要求，探讨定位方案
1）孔的轴线到工件大端面的距离为27mm，孔的轴线应与工件轴线相交以保证孔壁均匀，为未注公差。为了达到此要求，理论上应选取两个V形块分别定位工件两端的外圆，但是工件非常小，特别是工件小端外圆12处又有钻孔和銑槽的加工内容，为了不发生加工干涉，要求此V形块的尺寸小于4mm，加工难度比较大，可考虑直接用划线对刀的方法确定孔的轴线位置。
2）槽的对称中心平面与孔的轴线互相垂直，为未注公差。可设计夹具为可移动式，且夹具的整体为六面体类型，在加工好工件的孔后，无需拆工件，直接把工件与夹具整体翻转90度装夹再加工槽，可以快速又准确地达到要求。
3）槽的对称中心平面应与工件轴线重合以保证槽的两边厚度均匀，亦可用划线对刀的方法确定槽的位置；槽的深度12mm可通过操作铣床达到，宽度4（ 0.048/0）mm可由刀具保证。
综上所述，本工序加工的孔和槽的位置均用划线对刀的方法保证，而槽的对称中心平面与孔的轴线互相垂直则比较难保证，为了提高加工效率和质量，降低操作难度，设计夹具时可重点考虑这方面。
2.确定定位基准与定位方案
由于工件的两端外圆很短，则选用工件中部的外圆锥面作为定位基准。定位方案如图2所示，设计思路为：
1）采用圆锥孔定位工件的外圆锥面，限制五个自由度，并把定位孔对半分开成固定块与活动块，移动活动块可使其与固定块合并实现定位，在这两个定位块上与工件加工位置对应之处需开槽以预留加工空间；
2）固定块与活动块用夹具底座联接起来，夹具底座采用六面体结构且设计了台阶作为夹具在平口钳上的装夹位，加工好工件的孔后，可直接把工件与夹具整体翻转90度再次利用台阶部位作为装夹位进行装夹再加工工件的槽，解决了两次装夹工件较难保证孔与槽的垂直精度问题和效率问题。
3.确定夹紧方案
如上述定位方案中，利用圆锥孔与圆锥之间的自定心夹紧作用，定位的同时也夹紧，夹紧方案如图3所示。
1）固定块用螺钉固定联接在夹具底座左边的槽里，活动块则与夹具底座下方的导向板用螺钉固定联接，但活动块与导向板两者与夹具底座之间为滑动联接，在夹具底座中间的槽里可左右滑移而又不会脱离。为了实现活动块的滑移，需借助与之用紧定螺钉联接的螺杆的转动来带动，固定在夹具底座右边的螺孔板则对螺杆起到导向作用。螺杆与螺孔板之间的传动螺纹采用双线螺纹可提高装卸速度。
2）为防止工件在加工过程中由于受力而从大端处松脱，采用挡板上的锁紧螺钉对工件进行轴向锁紧，且锁紧螺钉应与工件在大端面圆心处接触。
4.其他元件
a.考虑到工件的定位精度要求为未注公差，精度不算高，且工件生产批量较小，为了降低夹具的加工难度及减少夹具的加工工时，因此把夹具底座与定位板做成分体式；
b.为便于操作者转动螺杆，可在螺杆头开两个互相垂直的孔便于穿入加力杆进行旋转；
c.为减少操作者与螺钉头的磕碰，所有的装配螺钉均采用内六角螺钉，且螺孔的沉孔均比螺钉头长度更深0.5～1mm；
d.挡板与固定块之间的装配螺钉应设置定位销，有利于在加工工件时出现螺钉稍微松动情况下仍能正常工作，甚至在夹具维修需拆装时，重新装配后的夹具仍能保证装配精度，这是螺钉联接中装配精度要求较高时常用的方法。
三、短轴零件专用夹具的总设计方案
1.装配图
1）装配图：夹具的爆炸图如图3所示，装配图如图4所示，其中图4的零件编号与图3的零件编号表示的零件是一致的，且均为非标准件。
2）装配过程：先分别把固定块、活动块与导向板、夹具螺孔板用螺钉联接在夹具底座上，再把挡板联接在固定块上，稍微拧入锁紧螺钉，然后把螺杆拧入夹具螺孔板再插入活动块右侧面对应的沉孔里，最后把紧定螺钉拧入活动块上方的螺孔以锁紧螺杆与活动块，使螺杆转动时带动活动块左右移动。
3）操作说明：先旋开螺杆带动活动块与固定块分开，把工件放入夹具定位孔中且紧靠档板，然后旋紧螺杆带动活动块与固定块合并实现定位与径向夹紧，再拧入锁紧螺钉实现轴向夹紧，再把夹具与工件整体搬至划线台进行划线，后在铣床平口钳上装夹夹具底座的台阶部分，用钻头加工孔；把夹具翻转90度装夹底座的台阶部分，换铣刀加工槽。
2.关键零件的零件图
1）活动块零件图
如图5所示为活动块零件图，其底部与夹具底座的槽的配合采用间隙配合H7/g6，定位锥孔轴线及11孔轴线到底部台阶部位的距离均要求精度IT7，定位锥孔的表面粗糙度值为1.6μm；所有棱边倒钝。
2）夹具底座零件图
如图6所示为夹具底座零件图，为保证活动块在其中间槽移动到左极限位置时能顺利地夹紧工件，中间槽的左部应比活动块的左极限位置还要左移3mm；为保证底座的底部台阶装夹位的两次装夹精度，应提高四个装夹面的表面粗糙度要求和相应的垂直及平行度要求至IT7。
3.其余零件加工要求
挡板上的销孔应按钻扩铰顺序使其精度达到IT6；固定块、活动块这两个零件硬度要求较高，用T8或T12钢，且需在粗加工后进行淬火 低温回火再进行精加工，其余零件均可用45号钢；锁紧螺钉的螺纹端部应磨平且淬硬；所有棱边倒钝。
4.配作说明
为保证夹具的装配精度，以下几个加工内容需进行配作：
1）固定块与活动块的其余内容加工好后，需配合夹紧再加工工件的定位孔和开槽；
2）档板与固定块这两个零件的连接螺孔和销孔的加工需待这两个零件其余内容加工好后，与夹具底座配合夹紧后再加工螺孔，然后利用螺钉联接固定后再加工销孔及挡板上与锁紧螺钉的配合孔。
四、结语
本夹具有以下优点：（1）结构小巧简单，制造和安装方便，从设计、制造、装配校验完成以及对工件试加工成功，整个过程只用了一周。（2）工人使用时操作方便，效率较高，一般的工人平均三分钟能加工出两件，每天一台机床出品400件左右。（3）能保证整批零件的质量稳定，每天300件的全检结果中平均有389件合格，合格率为97%。
责任编辑 朱守锂