CN111266997A - 一种精密快速磨削多面体平面的定位夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密快速磨削多面体平面的定位夹具，包括连接杆、夹紧套、限位环、换向轴、基座、轴套、锁紧螺钉、挡圈、限位螺钉、轴套、双列圆柱滚子轴承、紧固螺钉。本发明定位夹具选用材料耐磨性强，安装简单，制造难度低，选用轴承作为中间连接件，满足了产品一致性要求，将影响凸轮座圈平面加工散差大的不利因素去除，达到预定加工值，缩小凸轮座圈平面加工散差，使凸轮座圈工作平面相关几何精度提高，良品率达到99％，低成本、高质量实现高压油泵的使用性能。

Description

一种精密快速磨削多面体平面的定位夹具

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种精密快速磨削多面体平面的定位夹具。

背景技术

共轨式喷油系统于二十世纪90年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：(1)共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。(2)可独立的柔性控制喷油正时，配合高度喷射压力，可同时控制NOX和微粒(PM)在较小的数值内，以满足排放要求。(3)由电磁阀控制喷油，其控制精度高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器组成。高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及启动和加速时的油量变化的需求。其中凸轮座圈是高压油泵中的重要元件，高压油泵油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，该高压泵的主要零件为三个柱塞和一个凸轮座圈。偏心轴带动凸轮座圈做偏心运动，柱塞头部与凸轮座圈工作平面接触，形成滑动摩擦副，实现了柱塞的交替往复运动，为整个燃油系统提供高压油。

凸轮座圈与座圈轴套过盈配合后，座圈轴套装在偏心轴的偏心轮上，偏心轴转动一周，凸轮座圈的三个工作平面依次与三支柱塞头部接触，形成滑动摩擦副，推动柱塞上下运动，完成一个工作循环。凸轮座圈承受周期性的冲击载荷，凸轮座圈工作表面与柱塞头部之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此凸轮座圈工作表面的磨损比较严重。针对这种情况，凸轮座圈工作平面除应该有较高的尺寸精度，较小的表面粗糙度和足够的刚度外，还应有较高的耐磨性和良好的润滑。因此凸轮座圈工作平面的加工质量对高压共轨燃油喷射系统工作过程和性能指标有很大的影响。

目前，制定的凸轮座圈加工方案为：凸轮座圈铣削加工(立式加工中心)——淬火——平面粗磨(平面磨床)——平面精磨(数控高精度平面磨床)——研磨平面。其中平面精磨工序是各项精度实现的关键工序。

装夹方式是组合夹具，以一个固定直角支架为基座,基座中心位置装夹与凸轮座圈中孔紧密配合的芯轴,以凸轮座圈端面限位,60°定位板支撑凸轮座圈其中一个工作平面作为定位面，零件找平后用夹紧螺钉将其固定，移开定位板，加工第一面，测量后，松开夹紧螺钉，卸下零件，旋转零件使第二加工平面向上，移动定位板与第一面贴紧找平工件，开始第二面加工，完毕后重复上述步骤加工第三面(图1)。它的特点是对凸轮座圈平面与定位板的贴合度精准性要求极高，工件必须牢固地夹紧在基座上并保持最小悬垂量，才能保证加工精度。但是零件本身孔径有公差，定位销尺寸固定，零件与定位销的间隙越大，加工过程中零件受力位置改变越明显，加工精度越低。而且手工操作繁琐，定位板与凸轮座圈平面贴合程度影响了平面加工一致性。

凸轮座圈轴线中心到三平面距离公差为23.35±0.02，平面度0.005，表面粗糙度Ra0.1。

该夹具所用定位夹紧元件均为国标通用元件。图1所示，夹持元件是件号1螺钉和件号5锁紧螺母，定位元件是件号3定位销。定位系统由件号1螺钉、件号2基座、件号3定位销、件号4垫圈、件号5六角薄螺母M16及件号6定位板组成。定位板起定位支撑作用，夹持元件起夹紧作用。

此种定位元件有如下缺陷：

1.耐磨性差，实用性低：组合夹具的元件精度一般为IT6～IT7，经过反复使用的标准夹具零部件均有不同程度的磨损，定位精度降低。另外当砂轮磨削凸轮座圈平面时，同时受轴向分向力及径向分向力作用，定位销与凸轮座圈之间产生位移，磨削时座圈平面与定位板平面紧密贴合，径向分向力传递到定位板压紧面，一方面定位板定位面某个方向与座圈平面接触面积越大，则径向作用力越大，此处磨损越快；另一方面凸轮座圈直径不同，受径向分向力不同，定位板压紧面产生磨损状况不同。两方面因素都会导致定位板压紧面与凸轮座圈平面之间位置产生偏移。位置的改变一方面导致砂轮相对凸轮座圈平面位置不稳定，受力不均匀，磨削抗力增加，尺寸23.35±0.02超差严重，废品率达50％；另一方面轴向分向力不均匀，切削去除量不一致，表面粗糙度实测Ra0.25，无法满足零件技术要求。

2.定位繁琐，生产效率低：所有模块的连接、固定和压紧都是以孔定位用锁紧螺钉来实现锁紧。生产过程中，操作者每次装夹凸轮座圈，要将件号4垫圈和件号6锁紧螺母松开，卸下凸轮座圈，旋转120°使第二面平面向上，用定位板与第一面贴紧找平工件，夹紧，移开定位板，进行第二面的加工，重复上述步骤加工第三面，操作方式繁琐。熟练操作工每天8小时满负荷工作，只能完成25件凸轮座圈的加工。此种定位方式费时费力，生产效率低。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对凸轮座圈高效高精加工需求，发明一种低成本、高质量、精准加工凸轮座圈平面的定位夹具，快速加工不同壁厚凸轮座圈，精准定位凸轮座圈工作平面，使其受到均匀分布载荷的夹紧力，从而减少零件因夹紧力造成的变形，提高凸轮座圈工作平面相关几何精度，低成本、高质量实现高压油泵供油稳定性要求，更好满足日益严格的排放法规。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其包括：包括连接杆1、夹紧套2、换向轴4、基座5、紧固螺钉12；基座5安装在工作台上，其上开设有中心孔；换向轴4左端部为圆柱体，右端部为三棱柱体，左端部圆柱体装入基座5中心孔内且左端面通过锁紧螺钉7固定定位，右端部三棱柱体卡挡在基座5右端端面处，换向轴4右端部开设有台阶孔，台阶孔左端的小孔为螺纹孔；夹紧套2左端部为开有中心孔的圆柱体，圆柱体外周面中部设置有同轴的三棱柱体安装台，右端部为夹紧筒，夹紧筒内壁为锥面，壁厚由左至右依次减小，夹紧筒筒壁上沿母线间隔开设多个间隙，将筒壁分割为多个夹紧片；待加工凸轮座圈套设在夹紧筒外部；连接杆1左端部为柱体，右端部为与夹紧筒配合的椎体，连接杆1右端部的长度大于夹紧筒的长度，连接杆1中心开设有通孔；夹紧套2左端部装入换向轴4右端部台阶孔，三棱柱体安装台卡挡在换向轴4右端端面处；基座5右端面上开设有一个第一定位孔，换向轴4右端部三棱柱体上开设有三个间隔120°的第二定位孔，夹紧套2三棱柱体安装台上开设有三个间隔120°的第三定位孔，将第一定位孔、一个第二定位孔和一个第三定位孔对齐并通过定位轴定位后，向左推动连接杆1使夹紧筒的夹紧片向外撑开，使凸轮座圈被涨紧固定，将紧固螺钉12穿过连接杆1中心通孔且其左端部通过螺纹连接换向轴上的螺纹孔，进行凸轮座圈第一面加工，加工完成后，松动锁紧螺钉7，取下定位轴，转动夹紧套2，更换第二、第三定位孔使其与第一定位孔对齐，然后装入定位轴，固定锁紧螺钉7，进行凸轮座圈第二面、第三面加工。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的精密快速磨削多面体的平面夹具，具有以下优点：

1.耐磨性高，实用性强，提高凸轮座圈工作平面加工质量：原定位元件材料耐磨性差，压紧面易磨损，引起定位偏差，导致砂轮到三个工作平面预加工距离不确定。本定位夹具中压紧定位装置采用合金材料，去除凸轮座圈工作平面加工散差大的不利因素，达到预定加工值，缩小凸轮座圈工作平面加工散差，提高凸轮座圈工作平面相关几何精度，低成本、高质量实现高压油泵供油可靠性。

2.实用性强，生产效率高：本定位夹具中定位夹紧装置采用内涨式自定心夹套，操作者只需在首次加工时调整好零件平面高度及距离H,之后锁紧，后续加工不需再进行调整，操作简单，实用性强。熟练操作工每天8小时满负荷工作，可加工完成85件凸轮座圈，生产效率提高达2.2倍。

3.精准定位，凸轮座圈加工尺寸一致性好：本定位夹具采用两组双列圆柱滚子轴承(简称轴承)来支承凸轮座圈顶部端面与压紧套之间的间隙和受力。加工时，砂轮磨削凸轮座圈，装在换向轴上的夹紧套支撑工件保持稳定。夹紧套是自定心内涨式结构，既具有机械式可调夹具和组合夹具的柔性，又具有特种专用夹具的高效性。凸轮座圈传递到定位夹具的力一定，柱塞悬垂量一致，磨削砂轮相对凸轮座圈工作平面的预加工距离固定，作用在凸轮座圈上的轴向分向力均匀，切削去除量一致，凸轮座圈加工散差减小，加工质量稳定，良品率达99％。

附图说明

图1现有技术中组合夹具定位简图。A图为B图的右视图。

图2现有技术凸轮座圈零件加工简图。

图3本发明平面夹具装配简图

图4连接杆结构图示。B图为A图中的局部放大图。

图5夹紧套结构图示。B图为A图的左视图，C图为B图的A-A向视图。

图6限位环结构图示。

图7换向轴结构图示。A图为B图的A-A向视图。

图8基座结构图示。A图和C图分别为B图的A-A向视图和B-B向视图。

图9挡圈结构图示。B图为A图的纵向剖视图。

图10轴套结构图示。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图3至图10所示，本发明定位夹具为装配组合结构，包括连接杆1、夹紧套2、限位环3、换向轴4、基座5、轴套6、锁紧螺钉7、挡圈8、限位螺钉9、轴套10、双列圆柱滚子轴承11、紧固螺钉12；锁紧螺钉7为内六角圆柱螺钉，限位螺钉9为内六角圆柱端定位螺钉，紧固螺钉12为内六角圆柱端定位螺钉。

基座5安装在工作台上，其上开设有中心孔；换向轴4左端部为圆柱体，右端部为三棱柱体，左端部圆柱体装入基座5中心孔内且左端面通过锁紧螺钉7固定定位，右端部三棱柱体卡挡在基座5右端端面处，换向轴4右端部开设有台阶孔，台阶孔左端的小孔为螺纹孔；夹紧套2左端部为开有中心孔的圆柱体，圆柱体外周面中部设置有同轴的三棱柱体安装台，右端部为夹紧筒，夹紧筒内壁为锥面，壁厚由左至右依次减小，夹紧筒筒壁上沿母线间隔开设多个间隙，将筒壁分割为多个夹紧片；待加工凸轮座圈套设在夹紧筒外部；连接杆1左端部为柱体，右端部为与夹紧筒配合的椎体，连接杆1右端部的长度大于夹紧筒的长度，连接杆1中心开设有通孔；夹紧套2左端部装入换向轴4右端部台阶孔，三棱柱体安装台卡挡在换向轴4右端端面处；基座5右端面上开设有一个第一定位孔，换向轴4右端部三棱柱体上开设有三个间隔120°的第二定位孔，夹紧套2三棱柱体安装台上开设有三个间隔120°的第三定位孔，将第一定位孔、一个第二定位孔和一个第三定位孔对齐并通过定位轴定位后，向左推动连接杆1使夹紧筒的夹紧片向外撑开，使凸轮座圈被涨紧固定，将紧固螺钉12穿过连接杆1中心通孔且其左端部通过螺纹连接换向轴上的螺纹孔，进行凸轮座圈第一面加工，加工完成后，松动锁紧螺钉7，取下定位轴，转动夹紧套2，更换第二、第三定位孔使其与第一定位孔对齐，然后装入定位轴，固定锁紧螺钉7，进行凸轮座圈第二面、第三面加工。

基座5中心孔中部安装轴套10，两端布置双列圆柱滚子轴承11，两个双列圆柱滚子轴承11布置在轴套10两端，换向轴4左端部装入轴套10和两个双列圆柱滚子轴承11内；基座5左端面上通过限位螺钉9安装挡圈8，挡圈8包括挡环和形成在挡环左端的外环安装沿，挡环嵌入基座5中心孔内，外环安装沿卡挡在基座5左端面上，限位螺钉9穿过外环安装沿和基座5左端面。

挡圈8的挡环内通过螺纹连接安装定位套6，定位套6中心开有沉孔，换向轴4左端面上开设有螺纹孔，锁紧螺钉7穿过沉孔与螺纹孔，将定位套6与换向轴4左端连接。

限位环3设置在三棱柱体安装台右端面与凸轮座圈左端面之间，对凸轮座圈进行轴向限位。

夹紧套2左端部与夹紧筒之间的连接处设置环形凹弧槽，为夹紧片的向外张开提供让位空间。

连接杆1内中心孔为光孔，光孔的右端为沉孔，紧固螺钉12穿过光孔后左端部的螺纹端与换向轴4的螺纹孔螺纹连接。

夹具工作时，限位环3端面与夹紧套4配合压紧凸轮座圈端面，起轴向定位作用。双列圆柱滚子轴承11的轴承外圈与基座5轴承外套孔采用间隙配合，间隙值0.005～0.01，双列圆柱滚子轴承11的轴承内圈孔与换向轴4左端部圆柱面采用过盈配合，过盈量0.005～0.01，保证换向轴运动过程中稳定性。

连接杆1加工精度参数：材料：渗碳钢20CrMnTi,渗碳淬火处理，硬度HRC50～55；加工机床选用高精度车削中心、高精度数控外圆磨床、高精度数控平面磨床；以零件φ20(-0.007/-0.02)外圆为基准相对于大端面垂直度选用0.02、锥面10°±0.01°同轴度φ0.02。

夹紧套2加工精度参数：材料65Mn,硬度HRC50～55；加工机床选用高精度车削中心、高精度数控外圆磨床、高精度数控内圆磨床。以φ34孔为基准，相对于φ30(0/-0.01)内孔同轴度φ0.02，φ40(-0.005/-0.02)内孔同轴度φ0.02，端面垂直度0.02；大端面为基准平面平行度0.02.

换向轴4加工精度参数：材料40Cr；加工机床选用高精度车削中心、立式加工中心、高精度数控外圆磨床、高精度数控内圆磨床及高精度数控平面磨床；以零件φ40外圆为基准相对于φ40(+0.02/+0.005)内孔同轴度φ0.02，,3-φ21(0/-0.01)内孔平行度选用φ0.02，相对于φ35外圆装配端面垂直度选用0.01。

基座5加工精度参数：材料40Cr；加工机床选用立式加工中心、高精度数控平面磨床；以零件端面为基准相对于φ68内孔平行度选用0.01，相对于两端面垂直度选用0.02。

定位部件装配精度参数：夹紧套2左端部外圆与换向轴4右端内孔间隙配合，夹紧套2的三棱柱体安装台上设置有均匀分布的3个螺钉，连接换向轴4，实现与换向轴4保持同步运动；限位环3端面处均匀安装3个螺钉与夹紧套2连接控制夹紧力矩。换向轴与轴套10内孔φ40配做，过盈量0.005～0.01，轴套内端压紧换向轴端面，限制换向轴轴向窜动，并保持凸轮座圈中心与夹具中心一致性。

工作时，第一步先将基座5用螺母、螺栓与工作台固定：第二步将夹紧套2用连接杆1按零件孔径调整到适宜的尺寸范围：第三步将凸轮座圈装夹在夹紧套2后使用高度尺调平工件，将紧固螺钉12锁紧。控制面板输入加工程序，按下工作钮，机床工作，开始凸轮座圈第一面的加工，然后转动换向轴与夹紧套结构，换面磨削，完成凸轮座圈第二面加工，重复上述步骤加工第三面，卸下凸轮座圈即加工完毕。

定位夹具选用材料耐磨性强，安装简单，制造难度低，选用轴承作为中间连接件，满足了产品一致性要求。将影响凸轮座圈平面加工散差大的不利因素去除，达到预定加工值，缩小凸轮座圈平面加工散差，使凸轮座圈工作平面相关几何精度提高，良品率达到99％，低成本、高质量实现高压油泵的使用性能。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：

1.本定位夹具中，夹紧套耐磨性、受冲击载荷要求高，材料采用低合金弹簧钢，材料65Mn,硬度HRC50～55。该材料热处理及冷拔硬化后，强度比较高，具有一定的柔韧性和可塑性。在一定冲击载荷的磨损工作状况下，可用于机械类的圆、方弹簧等。

2.本定位夹具中，利用换向轴对凸轮座圈加工平面自由度进行限制，保持加工过程中零件稳固、定位精准。当机床工作时，轴承间隙一定，凸轮座圈预加工距离固定，加工平面散差小，凸轮座圈尺寸加工一致性好，质量稳定。

3.本定位夹具中，轴承外圈φ68与基座轴承外套孔φ68间隙配合，间隙值0.005～0.01，轴承内圈φ40孔与换向轴φ40圆柱面过盈配合，过盈量0.005～0.01，保证换向轴运动过程中的稳定性。确保凸轮座圈加工过程中按顺序旋转后仍能准确定位，不仅减轻定位块的磨损，还能保证加工精度。

4.本定位夹具中，夹紧套采用自定心涨紧式结构，螺母螺栓配合锁紧。操作者只调整一次工件找平即可,无需重复操作，实用性强，装夹快速简单。

5.本定位夹具型式可用于其它多面体平面磨削，根据所需加工零件结构，将件号4进行调整，即可实现内孔涨紧式正多面体的高精度加工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，包括：包括连接杆(1)、夹紧套(2)、换向轴(4)、基座(5)、紧固螺钉(12)；基座(5)安装在工作台上，其上开设有中心孔；换向轴(4)左端部为圆柱体，右端部为三棱柱体，左端部圆柱体装入基座(5)中心孔内且左端面通过锁紧螺钉(7)固定定位，右端部三棱柱体卡挡在基座(5)右端端面处，换向轴(4)右端部开设有台阶孔，台阶孔左端的小孔为螺纹孔；夹紧套(2)左端部为开有中心孔的圆柱体，圆柱体外周面中部设置有同轴的三棱柱体安装台，右端部为夹紧筒，夹紧筒内壁为锥面，壁厚由左至右依次减小，夹紧筒筒壁上沿母线间隔开设多个间隙，将筒壁分割为多个夹紧片；待加工凸轮座圈套设在夹紧筒外部；连接杆(1)左端部为柱体，右端部为与夹紧筒配合的椎体，连接杆(1)右端部的长度大于夹紧筒的长度，连接杆(1)中心开设有通孔；夹紧套(2)左端部装入换向轴(4)右端部台阶孔，三棱柱体安装台卡挡在换向轴(4)右端端面处；基座(5)右端面上开设有一个第一定位孔，换向轴(4)右端部三棱柱体上开设有三个间隔120°的第二定位孔，夹紧套(2)三棱柱体安装台上开设有三个间隔120°的第三定位孔，将第一定位孔、一个第二定位孔和一个第三定位孔对齐并通过定位轴定位后，向左推动连接杆(1)使夹紧筒的夹紧片向外撑开，使凸轮座圈被涨紧固定，将紧固螺钉(12)穿过连接杆(1)中心通孔且其左端部通过螺纹连接换向轴上的螺纹孔，进行凸轮座圈第一面加工，加工完成后，松动锁紧螺钉(7)，取下定位轴，转动夹紧套(2)，更换第二、第三定位孔使其与第一定位孔对齐，然后装入定位轴，固定锁紧螺钉(7)，进行凸轮座圈第二面、第三面加工。

2.根据权利要求1所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述基座(5)中心孔中部安装轴套(10)，两端布置双列圆柱滚子轴承(11)，两个双列圆柱滚子轴承(11)布置在轴套(10)两端，换向轴(4)左端部装入轴套(10)和两个双列圆柱滚子轴承(11)内。

3.根据权利要求2所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述基座(5)左端面上通过限位螺钉(9)安装挡圈(8)，挡圈(8)包括挡环和形成在挡环左端的外环安装沿，挡环嵌入基座(5)中心孔内，外环安装沿卡挡在基座(5)左端面上，限位螺钉(9)穿过外环安装沿和基座(5)左端面。

4.根据权利要求3所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述挡圈(8)的挡环内通过螺纹连接安装定位套(6)，定位套(6)中心开有沉孔，换向轴(4)左端面上开设有螺纹孔，锁紧螺钉(7)穿过沉孔与螺纹孔，将定位套(6)与换向轴(4)左端连接。

5.根据权利要求4所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，还包括限位环(3)，设置在三棱柱体安装台右端面与凸轮座圈左端面之间，对凸轮座圈进行轴向限位。

6.根据权利要求5所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述夹紧套(2)左端部与夹紧筒之间的连接处设置环形凹弧槽。

7.根据权利要求6所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述连接杆(1)内中心孔为光孔，光孔的右端为沉孔，紧固螺钉(12)穿过光孔后左端部的螺纹端与换向轴(4)的螺纹孔螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述双列圆柱滚子轴承(11)的轴承外圈与基座(5)轴承外套孔采用间隙配合，间隙值0.005mm～0.01mm；所述双列圆柱滚子轴承(11)的轴承内圈孔与换向轴(4)左端部圆柱面采用过盈配合，过盈量0.005mm～0.01mm。

9.根据权利要求8所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述连接杆(1)材料为渗碳钢20CrMnTi,硬度HRC50～55；夹紧套(2)材料为65Mn,硬度HRC50～55；换向轴(4)材料为40Cr；基座(5)材料为40Cr。

10.根据权利要求9所述的精密快速磨削多面体平面的定位夹具，其特征在于，所述夹紧套(2)的三棱柱体安装台上设置有均匀分布的3个螺钉，连接换向轴(4)，实现与换向轴(4)保持同步运动。

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